CC BY
104
УДК 528.8.042+[528.48:624.19]
Е.И. Горохова, А.В. Иванов СГГ А, Новосибирск
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ СЪЕМКЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Ye.I. Gorokhova, A.V. Ivanov SSGA, Novosibirsk
THE EXPERIENCE OF LASER SCANNING APPLICATION IN RAILWAY TUNNELS SURVEYING
Tunnels are a significant link in the transport network of any country. That is why mine survey is a very important process at all the stages of tunnels construction and operation. The process is placed heavy demands on, as concerns efficiency, accuracy and reliability of georeferenced data. The paper presents the experience of using terrestrial laser scanning in geodetic survey of the tunnel interior. The main stages of surveying and measurement processing are shown. The conditions of taking measurements in the tunnel are determined.
Тоннели являются важным звеном в транспортной сети любого государства. Поэтому геодезическо-маркшейдерские работы являются необходимым и ответственным процессом на всех этапах строительства и эксплуатации тоннеля, к которому предъявляются особые требования по оперативности, точности и надежности получаемых геопространственных данных. Внедрение новых технологий, а именно наземного лазерного сканирования (НЛС) позволяет автоматизировать работу в тоннеле, что снижает вероятность появления ошибок связанных с человеческим фактором и способствуют сокращению ресурсов, времени затрачиваемые на инженерно -геодезическую съемку.
В период с 22.05.2008 г. по 26.05.2008 г. Региональным центром лазерного сканирования выполнена инженерно-геодезическая съемка внутреннего очертания тоннеля 106-107 км на участке Артышта-Томусинская ЗападноСибирской железной дороги (перегон ст. Курегеш - ст. Карлык) средствами наземного лазерного сканирования (рис. 1).
По результатам съемки требовалось создать триангулированную 3D модель и чертежи сечений внутреннего очертания тоннеля в форме Autodesk AutoCAD, на чертежах сечений отобразить обделку тоннеля, рельсы, границы ниш и камер, кабельные полки. Кроме того, триангулированная 3D модель внутреннего очертания тоннеля согласно техническому заданию должна также содержать все элементы, представленные на чертежах сечений.
Погрешности построения 3D модели и чертежей сечений тоннеля в плане и по высоте не должны превышать 20 мм.
Дополнительно на основе данных НЛС решены следующие задачи:
1. Определены габариты тоннеля;
2. Определены оси рельсов;
3. Определены провисы проводов;
4. Построены коммуникации.
Рис. 1. Восточный портал тоннеля
Начальный этап съемочных работ включал в себя рекогносцировку местности и осмотр объекта съёмки, в результате чего было выявлено приблизительное количество станций сканирования и пунктов съемочного обоснования, необходимых для привязки результатов сканирования к внешней системе координат.
Сканирование тоннеля выполнялось наземным лазерным сканером Riegl LMS-Z420i с 36 сканерных станций бригадой из двух человек. Данный сканер не имеет устройства для горизонтирования и ориентирования, поэтому внешнее ориентирование сканов в местную систему координат производилось с помощью специальных светоотражающих марок, координаты которых определялись при помощи электронного тахеометра Leica TCR 1205 с точек рабочего планово-высотного обоснования (ПВО). Средняя квадратическая ошибка определения координат марок сканером Riegl LMS-Z420i, составляет 1,5 мм.
Непосредственно процесс съемки на каждой станции можно условно разделить на следующие этапы:
1) Установка сканера, подготовка его к работе.
При выполнении съемки важное место отводилось выбору точек, с которых выполнялось сканирование. При этом обеспечивалось условие перекрытия сканов, полученных с соседних сканерных станций, в зонах с достаточной плотностью съемки. Для улучшения обзорности, мобильности и получения более детальных сканов сканер устанавливался на железнодорожную тележку.
При этом штатив закреплялся на ней с помощью специальных устройств, что позволило не только выполнять съемку с железнодорожной тележки, но и перемещаться от станции к станции, не снимая сканер. Это ускорило процесс съемки примерно в 2,5 раза.
2) Установка и ориентирование тахеометра;
3) Расстановка сканерных марок (рабочего ПВО).
Для создания рабочего ПВО на каждой сканерной станции использовались 8 сканерных марок, располагаемых на расстоянии 20 - 40 м от сканера;
4) Координирование рабочего ПВО электронным тахеометром;
5) Выполнение сканерной съемки.
Сканирование пространства осуществлялось в пределах поля зрения сканера (360° по горизонтали и 80° по вертикали) с разрешением от 0,18°х0,18° до 0,01°х0,01°;
6) координирование рабочего ПВО сканером.
На полученном в результате сканирования растровом изображении каждый пиксель которого раскрашен в зависимости от интенсивности отраженного лазерного луча, интерактивно отмечалось местоположение светоотражающих марок, которые легко дешифрировались благодаря высокой отражающей способности. Далее производилось сканирование выбранных марок с максимальным разрешением, после чего в программном обеспечении RiSCAN PRO, с использованием заложенного алгоритма, автоматически определялись координаты центров марок в системе координат скана.
Предварительная обработка результатов наземного лазерного сканирования заключалась в ориентировании сканов в местной системе координат и экспорте результатов в программное обеспечение Leica HDS Cyclone.
Для ориентирования сканов, координаты сканерных марок в местной системе координат, полученные при помощи электронного тахеометра, были переданы в программное обеспечение RiSCAN PRO. Данное программное обеспечение автоматически устанавливает соответствие между марками и их координатами, производит преобразование координат, полученных в процессе сканирования, в заданную систему и вычисляет значение средней квадратической ошибки единицы веса пространственного положения марок во внешней системе координат (standard deviation).
В дальнейшем ориентированные сканы переданы в программное обеспечение Leica HDS Cyclone. Создание чертежей внутреннего очертания тоннеля выполнялось в полуавтоматическом режиме и состояло из следующих процессов:
- Сегментирование, фильтрация и разряжение точечной модели для цели формирования профилей в автоматическом режиме;
- Построение чертежей внутреннего очертания тоннеля в автоматическом режиме;
- Редактирование чертежей внутреннего очертания тоннеля.
Для создания триангулированной трехмерной модели (Mesh) выполнена обработка «облака» точек в программных продуктах RealWorks Survey фирмы Trimble и RapidForm фирмы Inus Technology с использованием специализированных фильтров и алгоритмов построения «Mesh». В результате из общего массива точек удалены точки не принадлежащие поверхности обкладки тоннеля. После фильтрации и разряжения плотность точечной модели составила 1 точку на 49 см . Для облегчения дальнейшей работы с триангулирнованной трехмерной моделью тоннеля единый массив точек разделен на участки по 100 м. Вид одного из участков трехмерной модели представлен на рис. 2.
Рис. 2. Трехмерная модель внутреннего очертания обкладки тоннеля
После выполнения съемочных работ выполнен контроль точности съемки тоннеля путем повторных измерений с использованием электронного тахеометра Leica TCR1205. Всего произведено 132 измерения. Максимальное расхождение по всем трем координатам составило 0,031 м. Средняя квадратическая погрешность по трем координатам составила 0,013 м, что соответствует требованиям технического задания.
В результате экспериментальных исследований установлено, что полевые работы по съемке внутреннего тоннеля средствами наземного лазерного сканирования выполняются значительно быстрее, чем традиционным инструментарием. При этом объем и детальность получаемой информации значительно больше относительно классических методов.
© Е.И. Горохова, А.В. Иванов, 2009
