CC BY
122
УДК 622.01: 528.8.042
оперативное изучение подземных пустот с помощью лазерного 3в-сканирования
А. В. Овчаренко1, В. В. Удоратин2
1 Институт геофизики Уральского отделения РАН, Екатеринбург [email protected] 2 Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар [email protected]
В статье рассматривается метод дистанционного изучения пустот и полостей. Предложены и опробованы методы: «заглядыва-ния», «головой вниз», «короткого сканерного хода», смешанные методы. Различия этих методов состоят в основном в условиях обзора с пунктов, в которых устанавливается прибор, и в способах установки самого сканирующего прибора. В настоящей работе был использован сканер модели FARO FOCUS 3D. В качестве примеров приводится изучение скважины и водостока. Создание 3й-модели выполняется построением серии сечений изучаемой полости. Визуализация такой числовой матрицы может быть выполнена в различных формах: карты изолиний, цвето-тоновой карты, теневой карты, трехмерной блок-диаграммы. Методика является оперативной, обеспечивает получение точных геометрических характеристик объекта и параметров ориентации относительно внешнего пространства, позволяет сократить или вообще отказаться от пребывания персонала в подземной полости.
Ключевые слова: Эй-сканирование, подземные пустоты, полости.
THE OPERATiVE study of underground cAviTiEs BY 30-SCAHHiHG
A. V. Ovcharenko1, V. V. Udoratin2
1 Institute of Geophysics of UB RAS, Ekaterinburg
2 Institute of Geology Komi SC UB RAS, Syktyvkar
The article considers the method of remote study of voids and cavities. The methods are proposed and tested such as the method of peeking, the method of head down, the method of short scanner stroke and mixed methods. There are differences in these methods. These are conditions of review from points in which apparatus is installed and installation ways of scanning device. In this work, the scanner model FARO FOCUS was used. As an example the study of boreholes and drainage is given. Design of 3D-model is carried out by cross-section series building of the studied cavity. Visualization of such a numerical matrix may be performed in various forms such as maps of contour lines, the color-tone map, the shadow map and third-dimensional block-diagram. The technique is rapid and it provides production of exact geometrical characteristics of the object and orientation parameters relative to the external space. The approach allows to reduce or avoid the risk of personnel stay in the underground cavity.
Keywords: 3D-scanning, underground emptiness, cavities.
Введение
Подземные полости и пустоты — важный объект для детального изучения. В горном деле для этих целей применяются специализированные пыле- и влагозащищенные и электробезопасные сканеры [1—3, 6—8]. Для малоглубинных пустот и полостей в приповерхностном слое, где имеется хорошая естественная вентиляция и отсутствует взрывоо-пасность, применение специализированных и весьма дорогих сканеров, на наш взгляд, малооправданно. В геологической и инженерно-геологической практике имеется громадное число природных и антро-
погенных объектов, интересных для детального инструментального изучения с выяснением морфологии, внешней ориентации в пространстве, получением точных линейных обмеров, расчетом объема и выяснением состояния внутренних поверхностей. Это разнообразные карстовые и термокарстовые пещеры, гроты и провалы, частично вскрытые пегматитовые занорыши и погреба, подземные бункеры, тоннели и водоводы, катакомбы, ёмкости, колодцы, провалы, промоины и т. п. При катастрофических землетрясениях и техногенных авариях, как правило, образуются завалы с полостями и подвалами,
в которых часто оказываются люди и животные, ждущие помощи. В большом количестве случаев оперативное дистанционное инструментальное изучение и параллельное фотографирование без длительного присутствия оператора в полости является единственным реальным методом их детального изучения. Как видим, оперативное изучение полостей и подземных сооружений является важной и актуальной задачей.
В настоящее время имеется большое число моделей 3Б-сканеров с разнообразными показателями точности, скорости сканирования и различными собственными размерами
и функциональными особенностями [6]. Многочисленные примеры их применения приведены в работах [4—8]. Область применения лазерного ЭБ-сканирования постоянно расширяется. Современные универсальные сканеры имеют уже такие компактные размеры и функции дистанционного управления, что могут быть использованы для изучения скрытых малоглубинных и малодо-
ступных полостей при наличии небольших отверстий, щелей и дыр в изучаемом объекте, в которые может пройти или «заглянуть» прибор. В настоящей работе был использован сканер модели FARO FOCUS 3D. Однако при описании методики мы использовали, по возможности, приемы и принципы, общие для любых типов сканирующих устройств и обрабатывающих программ.
Рис. 1. Схема короткого сканерного хода из двух стоянок для связи внешней и внутренней систем координат. Первая стоянка внутри полости с обзором четырех сфер,
вторая стоянка в проеме с обзором четырех внутренних и четырех внешних сфер Fig. 1. Scheme of short scanner stroke of two stops to link external and internal coordinate systems. The first stop is inside the cavity with view of 4 spheres, the second stop is in passage with view of 4 internal and 4 external spheres
Рис. 2. Фотография сканирования гидрогеологической скважины методом «вниз
головой»
Fig. 2. Scan of the hydrogeological borehole by the «head down» method
Методы и методика
исследования
Методы ЭБ-сканирования, которые являются, на наш взгляд, наиболее эффективными для изучения полостей, это: а) метод «загля-дывания», б) обзор «головой вниз», в) смешанные приемы в сочетании с дистанционным запуском и управлением сканером. Различия этих методов состоят в основном в условиях обзора с пунктов, в которых устанавливается прибор, и в способах установки самого сканирующего прибора. Лазерное сканирование, по существу, есть точное и быстрое измерение расстояний от некоторого центра прибора и двух углов, вертикального и горизонтального, до совокупности точек окружающего пространства с вычислением координат этих точек. Последовательность обмера точек пространства заложена в конкретную конструкцию прибора и практически не влияет на основной результат сканирования — трехмерное облако координат точек поверхности изучаемого объекта. Отметим, что точность получения координат облака точек зависит от способа измерения, расстояния до объекта, числа стоянок прибора и аккуратности сшивки сцен. Наиболее точным является так называемый фазовый метод измерения расстояний, который позволяет достигнуть субмиллиметровой точности сканирования. Этот метод используется в примененном нами оборудовании. Сшивка отдельных сканов в общую модель вносит наибольшую погрешность в итоговую точность сканирования. Эта точность вычисляется программой обработки при получении итогового облака точек. Для решения проблемы сшивания применяются методы: а) известных координат точек стоянки прибора; б) отражателей (жестких точек), которые должны наблюдаться со смежных позиций сканирования (не менее 4 отражателей); в) естественных характерных точек, которые заменяют специальные отражатели; г) распознаваемых плоскостей в комбинациях с методами а—в. Координаты точек стоянки сканера в локальной системе координат или в системе координат какой-либо проекции могут быть получены как обычными геодезическими измерениями (проще всего электронным тахеометром), так и с применением -систем. Для локальных объектов, которые будут обсуждаться ни-
Рис. 4. Схема совмещения горизонтальных сечений скважины Fig. 4. Scheme of matching horizontal sections of the borehole
Рис. 3. 3Б-модель определения глубины и диаметра скважины
Fig. 3. 3D-model for determining the diameter and depth of the borehole
же, мы использовали исключительно метод стандартных сферических отражателей как наиболее оперативный и точный. Нами везде применялась локальная прямоугольная система координат. Если при сканировании используется только одна стоянка прибора, то, естественно, сшивки сцен не требуется. При этом достигается максимальная точность получения координат облака точек, которая регламентируется техническими характеристиками и паспортными данными прибора для выбранного режима работы (скорость и плотность сканирования, внешние условия).
При изучении пустот облако точек представляет сложную поверхность. Поверхность необязательно замкнутая. Внутренние предметы, которые расположены в полости, могут частично экранировать полную сцену. Часто задача изучения полости состоит в дополнительной координатной привязке к внешним объектам. Очевидно, что для изучения замкнутой полости достаточно сканер разместить внутри и выполнить одно сканирование с полным сферическим обзором. Если требование детальности изучения достигается при одной стоянке сканера, то на этом про-
цесс измерений заканчивается, в противном случае сканирование производится с дополнительных позиций, с которых прибор «видит» все другие детали изучаемой сцены, невидимые с первой позиции. Задача существенно усложняется, если нет прямой возможности сканирования с размещением прибора внутри полости. В этом случае используются названные выше приемы: «заглядывание», «обзор головой вниз», а также смешанные приемы с сочетанием стандартного сканирования, включая так называемый сканерный ход внутрь скрытой полости. В горном деле для ввода специализированного сканера в полость применяются габаритные (до 10 м) распорные устройства, мачты, штанги и поворотные платформы [7]. В геологической и инженерно-геологической практике при использовании универсального сканера чаще
всего достаточно стандартной треноги сканера и дешевых вспомогательных устройств, снижающих размеры установки. Отметим, что стоимость специализированного сканера на порядок превышает стоимость универсального сканера. Безопасные условия работы в условиях естественного вентилирования, стоимостные показатели, габариты прибора, скорость и точность сканирования, возможность дистанционного управления по линии Wi-Fi явились для нас определяющими при выборе используемого оборудования.
Метод «заглядывания» состоит в таком внешнем размещении сканера, при котором прибор видит только часть пространства изучаемой полости. Если менять внешнее расположение сканера, то в ряде случаев можно в совокупности охватить изучением значительную часть по-
Рис. 5. 3Б-модель состояния забоя скважины Fig. 5. 3D-model of the condition of borehole bottom
Рис. 6. Общий вид и состояние подземной конструкции водотока (вид сбоку) по данным ЗБ-сканирования Fig. 6. General view and condition of the underground watercourse structure (side view) according to 3D-scanning
лости или всю целиком. При условии, что канал доступа в полость позволяет переместить сканер внутрь (без оператора), можно использовать прием «вниз головой» и «комбинированный прием вниз головой». При этом включение прибора, выбора режимов, контроль установки уровней и управление процессом сканирования выполнятся дистанционно с компьютера по линии Wi-Fi. При использовании режима «заглядывания» сканер нужно размещать по возможности наиболее близко к краям проема, чтобы максимально увеличить угол обзора внутреннего пространства. Рекомендуется использовать несколько близких позиций сканирования, разнесенных в проеме по горизонту и высоте. Иными словами, в полость нужно «заглядывать», поочередно прижимая прибор к левой-правой и верхней-нижней стороне проема. Для сшивания сцен при этом необходимо использовать стандартные сферические отражатели (4— 5 шт.) или специальные плоские марки, размещаемые во внешнем пространстве. Когда размещение сканера на треноге бывает невозможным (а это типично при малых проемах или труднодоступных местах), его можно размещать непосредственно на грунте проема с применением стандартного нивелирного столика и максимально укороченным стержнем для установки. Размещение сканера в проемах должно предусматривать его надежную устойчивость и наличие зазоров для свободного вращения сканера (или измерительной головки) на столике в горизонтальной плоскости. При размерах проема 25 х 30 см уже возможно вне-
сение прибора (FARO FOCUS 3D) в саму полость. При размещении «головой вниз» также нужно контролировать свободное вращение сканера в горизонтальной плоскости.
Для передачи внешней системы координат внутрь полости необходимо предусмотреть короткий сканер-ный ход с последовательностью позиций: внешнее пространство — проем — внутреннее пространство. С позиции «проем» сканер должен видеть реперные сферы или марки во внешнем пространстве и характерные точки (не менее 4) во внутреннем пространстве. С позиции «головой вниз» сканер должен видеть характерные точки внутреннего пространства. Хорошей учебной моделью скрытой полости является обычная комната, систему координат которой требуется совместить с внешней системой координат (рис. 1).
Результаты и обсуждение
Первоначальная обработ-
ка данных до получения облака точек выполнялась нами в программе SCENE 5.1. Далее проводился экспорт облака точек в открытый текстовый формат. Анализ результативного облака точек 3D-модели выполнялся авторскими программами путем построения серии сечений изучаемой полости и формирования документов этих сечений, (обычно в форматах AutoCAD), для обмеров и визуального анализа. Первоначально строятся горизонтальные сечения для заданных глубин. По картам этих горизонтальных сечений выбирается расположение наиболее характерных вертикальных сечений объ-
екта. Обмеры по вертикальным и горизонтальным сечениям выполняются, как уже сказано, измерительными инструментами AutoCAD, которая является стандартом для измерений по чертежам и моделям.
При изучении искусственных полостей часто бывает важным оценить состояние и сохранность конструкции с выявлением дефектов стен (поверхностей). В таких случаях применяется анализ с помощью карт отклонений. Карта отклонений может быть построена всегда, когда изучаемую поверхность можно описать некоторой аналитической функцией (плоскость, сфера, цилиндр, полином и т. д.) или их комбинацией. Карта отклонений есть некоторая числовая матрица отклонения реальной поверхности от подходящей аналитической функции. Визуализация такой числовой матрицы может быть выполнена в различных формах: в виде карты изолиний, цвето-тоновой карты, теневой карты, трехмерной блок-диаграммы. Эти формы позволяют относительно просто оценить степень неровности поверхности и быстро обнаружить дефекты. При наличии полости неправильной, сложной формы рационально выполнять визуализацию в виде трех ортогональных проекций или сечений. Выбор локальной системы координат для оптимального вида проекции выполняется интерактивно путем поворотов и визуального анализа 3D-модели объекта (программа SCENE фирмы FARO или другие [6]).
Пример 1
Все объекты, которые рассматриваются в данной работе, распо-
ложены на территории научной базы Коми НЦ УрО РАН в Сыктывкаре. В прежние годы при строительстве было пробурено несколько гидрогеологических скважин для полива ботанических коллекций. Была также построена дренажная сеть, содержащая каналы и неглубокие подземные водоводы под дорогами и проходами. В настоящее время скважины и водоводы перестали полноценно выполнять свои функции. При обследовании объектов ставилась общая цель: изучить их состояние и по возможности выявить причину неполноценной работы.
Обследование гидрогеологической скважины на территории сейсмической станции в Сыктывкаре состояло в выполнении сканирования с одной позиции и заняло около 10 минут (рис. 2). Обработка выполнялась по программе SCENE 5.1, а анализ облака с построением сечений, карт отклонений и т. п. — по собственным авторским программам (А. В. Овчаренко, ИГФ, 2013).
Кроме построения сечений и обмеров выполнялась оценка состояния стенок скважины путем построения карт отклонений от идеальной поверхности цилиндра. Были получены все геометрические параметры (глубина, диаметр) (рис. 3). Скважина имеет слабый наклон, который не влияет на ее работоспособность (около 0.5°) (рис. 4). Вертикальность сканера гарантируется датчиком наклона. На рис. 5 показана 3Б-модель забоя скважины. Выявлена каверна в обсадной трубе вблизи забоя. Забой скважины оказался сухой, с небольшими высыпками постороннего грунта, вероятно из каверны.
Вертикальность оси прибора при его установке «головой вниз», как и при его стандартном расположении, контролируется электронными уровнями на дисплее. Автоматический компенсатор наклона оси должен быть при этом включен. При этих условиях фирма-изготовитель гарантирует вертикальность оси вращения поверенного прибора. Поверки прибора по регламенту проводятся через каждую тысячу сканирований или при обнаружении неисправностей. Работы выполнялись поверенным прибором.
Пример 2
Водоток дренажной канавы (рис. 6—10) находится на территории сейсмической станции «Сык-
Рис. 7. 3Б-модель нарушения герметичности стыка колец и высыпание грунта
внутрь водотока (вид модели с торца водотока) Fig. 7. 3D-model of infringement of tightness of rings and pouring of soil inside the watercourse (view of model from the end of watercourse)
№
...
1 'i'i ■ * ^ -
Рис. 8. ЗБ-модель высыпания грунта в нарушенном стыке (вид модели сбоку водотока) Fig. 8. 3D-model of pouring of soil in the infringed junction (view of model aside watercourse)
тывкар». Водоток длиной около 10 м состоит из четырех железобетонных колец диаметром около
1 м. Нижняя часть системы заполнена илами, стыки колец нарушены. Обследование проводилось сканированием с трех позиций. Две позиции позволяли сканировать полость с торцевых частей, а третья, внешняя, позиция обеспечивала связь всех сцен в одну 3Б-модель. Сшивка сканов производилась в программе SCENE с использованием сферических отражателей. Несколько сферических отражателей различимы на рис. 6 в левой части. Точность сшивки составила
2 мм. При анализе объемной модели и ее вертикальных разрезов обнаружено нарушение герметичности стыка между первым и вторым кольцами (слева) с образованием вывалов грунта и существенным пе-
рекрытием водного потока (30 %). На рис. 9, 10 показаны обмеры объекта средствами программы AutoCAD, в которую передаются необходимые сечения.
Поскольку для решения поставленных задач обследования достаточно было использовать произвольную внешнюю систему координат, то применялось относительно грубое ориентирование по сторонам света с применением внутреннего компаса прибора. Для привязки к внешней строительной или картографической сеткам в процессе съемки применяется тахеометрическая или GNSS-передача координат с геодезических пунктов либо на точки стояния сканера, либо на точки установки сферических отражателей. Координаты этих точек вводятся в программу SCENE для трансформирования локальной системы координат объек-
Рис. 9. Схема поперечного сечения водотока и осадка в нижней части, которые нарушают его нормальную работу. Показано измерение диаметра водотока и расстояние до уровня заиливания (в метрах)
Fig. 9. Schematic cross-section of the watercourse and precipitations at the lower part that disrupt its normal operation. The measurement of the diameter of the watercourse and the distance to the level of siltation are shown (in meters)
Рис. 10. Схема продольного сечения водотока по данным 3D-cканирования. Показано измерение диаметра водотока, его длины, расстояния до уровня заиливания и толщины стенок (в метрах) Fig. 10. Scheme of longitudinal section of the watercourse according to 3D-scanning. The measurement of the diameter of the watercourse, its length, the distance to the level of siltation and wall thickness are shown (in meters)
та. Число точек может быть избыточным, но не менее четырех.
Заключение
Методика дистанционного изучения пустот и полостей является оперативной, обеспечивает получение точных геометрических характеристик объекта и параметров ориентации относительно внешнего пространства. Она позволяет уменьшить (или избежать вообще) пребывание персонала в подземной полости, а также позволяет получить итоговую документацию объекта в форматах, пригодных для детального изучения формы и конструкции, выполнения обмеров, визуальной оценки внутреннего состояния.
Работа выполнена при поддержке проекта 15-18-5-11 Программ УрО РАЛ.
Литература
1. Гриднев С. О. Профилирование, ориентирование и передача высотной отметки в вертикальных и наклонных стволах с помощью наземной сканирующей системы // Маркшейдерский вестник. 2009. № 5. С. 37-39.
2. Гриднев С. О. Разработка и исследование способа ориентирно-соедини-тельной съемки с применением лазерных сканирующих систем. Автореферат дисс. ... к. т. н., Иркутск-Екатеринбург, ИрГТУ-УГГУ, 2013.
3. Гриднев С. О., Охотин А. Л. Анализ погрешностей ориентирно-соедини-тельной съемки, выполненной лазерной сканирующей системой // Вестник ИрГТУ. 2013. № 9 (80). С. 123-132.
4. Овчаренко А. В. Определение объема и веса музейного экспоната метеорита «Челябинск» на основе 3D-сканирования // Метеориты, астероиды, кометы. Падения на Землю, исследования и экологические последствия. II Межд. научно-практическая конференция. Челябинск, 2014. С. 114-118.
5. Овчаренко А. В. Сканирование подземных пустот и полостей 3D-cканированием // Вопросы теории и практики геологической интерпретации геофизических полей: Материалы 42 сессии межд. научного семинара им. Д. Г. Успенского. ГИ УрО РАН, ПГНИУ, Пермь, 2015. С. 161-163.
6. Середович В. А, Комиссаров А. В., Комиссаров Д. В., Широкова Т. А. и др. Наземное лазерное сканирование. Новосибирск: СГГА, 2009. 261 с.
7. Cavity monitoring system [Электронный ресурс]: сайт Optech Inc. Режим доступа: http://www.optech.on.ca/PDF/ CMSbrochure.pdf
8. Laser scanner iQsun880 [Электронный ресурс]: сайт iQvolution. — Режим доступа: http://www.iqvolution. com/pages_e/ 3dls_e/iQsun880_e.pdf
References
1. Gridnev S. O. Profilirovanie, ori-entirovanie i peredacha vysotnoi otmet-ki v vertikalnyh i naklonnyh stvolah s pomosch 'yu nazemnoi skaniruyuschei siste-my (Profiling, orientation and transfer of height mark in vertical and inclined holes with the help of ground scanning system). Marksheiderskii vestnik, 2009, No 5, pp. 37-39.
2. Gridnev S. O. Razrabotka i issledo-vanie sposoba orientirno-soedinitelnois'emki s primeneniem lazernyh skaniruyuschih system (Development and study of reference-connective survey with the help of ground laser scanning systems). Extended abstract of PhD dissertation, Irkutsk-Ekaterinburg: IrGTU-UGGU, 2013, manuscript.
3. Gridnev S. O., Ohotin A. L. Analiz pogreshnostei orientirno-soedinitel'noi s'emki, vypolnennoi lazernoi skaniruyuschei sistemoi (Analysis of errors of reference-connective survey). Vestnik IrGTU, Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2013. No. 9 (80), pp. 123-132.
4. Ovcharenko A. V. Opredelenie obe-ma i vesa muzeinogo eksponata meteorita «Chelyabinsk» na osnove 3D-skanirovaniya (Volume and weight of museum exhibit Chelyabinsk meteorite by 3D scanning). Meteority, asteroidy, komety. Padeniya na Zemlyu, issledovaniya i ekologicheskie po-sledstviya. Chelyabinsk, 2014, pp. 114—118.
5. Ovcharenko A. V. Skanirovanie pod-zemnyh pustot i polostei 3D-ckanirovaniem (Scanning of underground voids by 3D scanning). Voprosy teorii i praktiki geologiches-koi interpretatsii geofizicheskih polei. GI UrO RAN, PGNIU, Perm, 2015, pp. 161-163.
6. Seredovich V. A., Komissarov A. V., Komissarov D. V., Shirokova T. A. et al. Nazemnoe lazernoe skanirovanie (Ground laser scanning). Novosibirsk: SGGA, 2009. 261 pp.
7. Cavity monitoring system [Digital resource]: Optech Inc. Access: http://www. optech.on.ca/PDF/ CMSbrochure.pdf
8. Laser scanner iQsun880: website iQvolution. - Access: http://www.iqvolu-tion.com/pages_e/ 3dls_e/iQsun880_e.pdf
Рецензент к. т. н. А. А. Панжин
