CC BY
134
Геодезия
УДК 528:629.783
А.В. Середович, А.В. Иванов, Т.А. Широкова, А.В. Антипов, А.В. Комиссаров СГГ А, Новосибирск
ОСОБЕННОСТИ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
В статье рассматриваются особенности наземной лазерной съемки железнодорожных тоннелей с целью мониторинга деформаций их внутренней обкладки.
железнодорожный тоннель, наземный лазерный сканер, технология, цифровая модель, внутреннее очертание тоннеля, оценка состояния тоннеля.
A. V. Seredovich, A. V. Ivanov, T.A. Shirokova, A. V. Antipov, A. V. Komissarov SSGA, Novosibirsk
FEAFURES OF THE TERRESTRIAL LASER SCANNING
FOR THE PURPOSES OF MONITORING OF RAILWAY TUNNELS
The article describes the principles of investigation of railway tunnels deformations by means of terrestrial laser scanning facilities.
railway tunnel, terrestrial laser scanner, technology, digital model, inside tunnel sketch, tunnel state estimation.
Железнодорожный транспорт и виды услуг, связанные с ним, пользуются большим спросом. Неотъемлемой частью железнодорожных путей являются тоннели. Тоннели - сложный и дорогой вид инженерно-технических сооружений, испытывающих различного вида деформации.
На сегодняшний день для целей мониторинга тоннелей железнодорожного транспорта используются традиционные геодезические приборы [1]: нивелиры, тахеометры и другие измерительные средства, которые обладают рядом недостатков: низкий уровень автоматизации различных процессов, низкая скорость измерений, малая информативность данных, а также необходимость обеспечения постоянного хорошего освещения тоннелей в процессе выполнения измерений. Этих недостатков лишен наземный лазерный сканер.
В настоящее время разработаны технологии наземной лазерной съемки и методики обработки сканерных данных с целью построения цифровых моделей объектов для решения различных инженерных задач. На основе этих разработок предлагается обобщенная технологическая схема лазерной съемки для мониторинга железнодорожных тоннелей, включающая процессы, приведенные на рис. 1.
В соответствии с данной технологией Региональным центром лазерного сканирования выполнено лазерное сканирование внутренней поверхности железнодорожного тоннеля 106-107 км участка Артышта-Томусинской ЗападноСибирской железной дороги и обработка сканерных данных с целью определения деформаций обкладки тоннеля.
28
Геодезия
Рис. 1. Обобщенная технологическая схема наземной сканерной съемки для мониторинга железнодорожных тоннелей
В процессе полевых и камеральных работ выявлены особенности объекта и условий съемки, решаемой задачи, которые следует учитывать при проектировании работ, выполнении самой съемки и обработке данных сканирования тоннелей.
На начальном этапе съемочных работ производилась рекогносцировка тоннеля, в результате чего было выявлено приблизительное количество станций сканирования и точек рабочего съемочного обоснования, необходимых для внешнего ориентирования сканов.
Тоннель является протяженным объектом, поэтому сканерные станции располагались практически на одной линии друг за другом через определенное расстояние. Железнодорожный тоннель условно разбит на три участка, имеющие одинаковые внутренние габариты, в зависимости от которых задавалось расстояние между точками стояния сканера.
29
Геодезия
Железнодорожные тоннели являются объектами стратегического назначения, следовательно, останавливать движение внутри них на длительный период невозможно. В связи с этим большое значение уделялось безопасности и оперативности проведения работ. Конструкцией данного железнодорожного тоннеля на первом и третьем участках предусмотрено наличие специальных ниш, расположенных через 25 м. Для обеспечения повышенных мер безопасности ска-нерные станции в тоннеле располагались напротив специальных ниш, в которых при движении железнодорожного состава можно было укрыться исполнителям и разместить оборудование. Кроме того, такое расположение сканера обеспечивало отображение на сканах всей внутренней поверхности тоннеля. На втором участке на основании практического опыта расстояние между сканер-ными станциями было принято 50 м. Наземный лазерный сканер был размещен на железнодорожной тележке типа дрезина, что позволило ускорить процесс сканирования примерно в 2,5 раза. Такое повышение производительности съемки обеспечивалось за счет того, что сканер не нужно было заново устанавливать на штатив и производить его инициализацию, и при этом обеспечивался больший захват объекта съемки с одной сканерной станции, так как чем выше расположен сканер, тем более обширную область он может снять. С учетом особенностей габаритов и формы объекта сканирования для полного отображения его внутренней обкладки предпочтительнее размещать сканер на высоте, примерно равной половине высоты тоннеля. В данном тоннеле высота стояния сканера над железнодорожным полотном составляла 2,4 м.
Из-за того, что внутри железнодорожных тоннелей слабое освещение, получать данные о их внутреннем состоянии при помощи традиционных геодезических средств измерения затруднительно. Однако это не является проблемой при использовании наземных лазерных сканеров, так как они относятся к активным съемочным системам.
Для сканирования внутренней поверхности тоннеля использовался сканер Riegl LMS-Z420i [2]. Поскольку он не имеет устройства для горизонтирования и ориентирования, то внешнее ориентирование сканов производилось с помощью координат точек рабочего планово-высотного обоснования (ПВО), в качестве которых использовались специальные сканерные марки [3].
Точками основного ПВО в железнодорожном тоннеле являлись специальные пикеты, расположенные через каждые 50 м. Их координаты были определены с высокой точностью в местной системе координат.
Для создания рабочего ПВО на каждой сканерной станции вдоль стен тоннеля устанавливалось 8 светоотражающих марок (четыре марки на расстоянии 20 м и четыре - на расстоянии 40 м от сканера). Для оперативности проведения работ марки были расположены таким образом, чтобы 4 из них были отображены на соседних сканах и применялись для их внешнего ориентирования. Определение координат центров марок выполнено с точек основного ПВО при помощи электронного тахеометра Leica TCR1205 в безотражательном режиме. Для лучшего освещения марок в некоторых местах приходилось их подсвечивать.
30
Геодезия
Для обеспечения необходимой детальности и точности построения цифровой модели тоннеля перед его съемкой был рассчитан угловой шаг сканирования с использованием формулы [4]:
А^(Ав)
180 • d
1,41 •п • S ’
(1)
где А^, А в - разрешение сканирования по горизонтали и вертикали;
d - минимальный размер элементов объекта, которые должны быть отображены на трехмерной модели тоннеля;
S - расстояние от точки стояния сканера до объекта съемки.
Минимальный размер деталей железнодорожного тоннеля, которые необходимо было отобразить на его трехмерной модели в соответствии с техническим заданием, составляет 20 мм. Расстояние от точки стояния сканера до объекта съемки при расстановке сканерных станций через 50 м было задано 25 м. Тогда угловое разрешение для сканирования второго однородного участка тоннеля, рассчитанное по формуле (1), составило 0,03°.
На первом и третьем участках тоннеля, где имеются ниши, сканерные станции расположены через 25 м. В этом случае расстояние от сканера до снимаемого объекта составляло 12,5 м, а рассчитанный угловой шаг сканирования - 0,06°.
В соответствии с требованием технического задания работы по съемке тоннеля необходимо было выполнить оперативно (в течение трех дней по два рабочих часа). Для повышения производительности работ можно было либо увеличить расстояние между сканерными станциями, либо уменьшить угловое разрешение для сканирования объекта. Однако из-за требования расположения сканерных станций напротив ниш увеличить расстояние между точками стояния сканера не представлялось возможным. Так как дальность действия сканера Riegl LMS-Z420i в 20 раз превышала расстояние между сканерными позициями, то одна и та же область съемки отображалась не менее чем на восьми сканах, что позволило в V8 раз уменьшить угловое разрешение. Таким образом, лазерная съемка тоннеля была произведена с 38 сканерных станций в пределах всего поля зрения сканера (360° по горизонтали и 80° по вертикали) с угловым разрешением от 0,18 до 0,12°. В результате вся внутренняя поверхность тоннеля длиной 1 169 м была отсканирована за 3 дня в течение 5,5 часов одной бригадой, состоящей из двух человек.
На первом этапе камеральных работ по обработке результатов наземной лазерной съемки железнодорожного тоннеля выполнялось внешнее ориентирование сканов, в результате которого была получена единая точечная модель тоннеля (рис. 2) во внешней системе координат. Затем эта модель экспортировалась в программный продукт ПП Leica Cyclone 5.8.
31
Геодезия
Рис. 2. Точечная модель тоннеля и окружающей местности
Одним из важных моментов обработки сканерных данных является сегментирование точечной модели. Так как количество точек модели исчислялось не в тысячах, а в десятках миллионов, то даже современные персональные компьютеры не способны обрабатывать такой объем информации одновременно. Поэтому для последующей работы с единой точечной моделью она была разбита на участки протяженностью 100 м.
Железнодорожные тоннели помимо внутренней обкладки и ниш содержат различного назначения кабели, рельсы, шпалы и т. д. Поэтому в 1111 Cyclone производилась фильтрация точечной модели с целью дальнейшего правильного отображения только внутренней обкладки тоннеля при помощи триангуляционной поверхности. В процессе фильтрации модели исключались точки, не несущие полезной информации для решаемой задачи, а также псевдоизмерения (шумы), возникающие при неправильном или повторном отражении сигнала.
К информации, не несущей смысловой нагрузки, в данном случае относятся точки точечной модели, принадлежащие проводам, идущим вдоль стен с обеих сторон; проводам контактной сети, подвешенным при помощи специальных креплений к потолку; местности вне тоннеля; членам бригады исполнителей. Неправильное отражение сигнала возникает из-за пологости угла падающего лазерного луча или особенности отражающей способности некоторых материалов объектов сканирования (например, гладко отшлифованных металлических поверхностей головок рельсов, болтов, гаек и др.).
После фильтрации точечная модель экспортировалась в 1111 RealWorks Survey, где выполнялось разряжение ее плотности и построение Mesh-поверхности обкладки тоннеля.
Одна из особенностей камеральной обработки сканерных данных железнодорожного тоннеля, представляющего собой протяженный объект практически цилиндрической формы, состояла в проведении операции разряжения точечной
32
Геодезия
модели, вызванной следующим обстоятельством. При обеспечении достаточной плотности точек модели на краях участка тоннеля, отобразившегося в пределах скана, происходит утяжеление ее из-за того, что при заданном разрешении сканирования с уменьшением расстояния до объекта возрастает уровень дискретизации, а следовательно, плотность точечной модели в этих областях сканирования становится выше заданной. После разряжения плотность точечной модели составила 1 точку на 1,9 см2, что соответствовало требованиям технического задания (1 точка на 2 см2). Данная операция позволила облегчить точечную модель внутреннего очертания тоннеля для последующей обработки и в то же время сохранить необходимую ее дискретизацию.
Построение трехмерной модели тоннеля производилось для каждого стометрового участка в отдельности. Для моделирования Mesh-поверхности внутренней обкладки тоннеля, в большей степени соответствующей цилиндрической форме, использовалась функция Mesh Editing Tools, с помощью которой по оси точечной модели тоннеля задавался цилиндр, на который проектировались точки. Созданная трехмерная Mesh-поверхность обкладки тоннеля затем экспортировалась в программный продукт RapidForm, где при помощи функции Mesh Buildup Wizard были устранены грубые погрешности в построении векторной модели и выполнено ее сглаживание. Трехмерная векторная модель внутренней обкладки тоннеля позволяет определить деформацию в любой точке тоннеля, что не представляется возможным при использовании точечной модели, так как она дискретна.
Для оценки точности создания цифровой модели тоннеля в интерактивном режиме в ПП Cyclone измерены расхождения пространственного положения 120 соответственных точек на трехмерной модели поверхности тоннеля и его точечной модели. Максимальное расхождение пространственного положения точек моделей составило 0,011 м, а средняя квадратическая погрешность -0,008 м.
Для исследования технического состояния тоннеля использовался метод сравнения проектного и действительных К-х сечений тоннеля (полученных по данным наземного лазерного сканирования через каждые 10 м) на однородном участке тоннеля. Сравнение сечений производилось в 1111 RealWorks Survey в интерактивном режиме. Расхождение в поперечных сечениях тоннеля оценивалось в трех местах (рис. 3), наиболее подверженных нагрузкам [5]. Для этого в исследуемой точке проводилась касательная к проектному сечению. Из этой точки восстанавливался перпендикуляр к касательной до пересечения его с действительным (К-м) сечением тоннеля. Затем с помощью функции Measure distance измерялись длины перпендикуляров в точках 1, 2, 3, свидетельствующие об отклонении К-го сечения от проектного, и производился переход к оценке следующего сечения. В результате выполнено 341 измерение на протяжении всей модели тоннеля. Максимальное отклонение геометрии внутреннего очертания тоннеля от проектного составило 22 мм, а среднее - 11 мм.
33
Геодезия
Рис. 3. Точки для исследования деформаций обкладки тоннеля: 1 2, 3 - места измерения деформаций
Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований технологии мониторинга железнодорожных тоннелей по данным наземного лазерного сканирования, свидетельствуют о ее работоспособности и эффективности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Славин, Б.Е. Основы научных исследований подземных сооружений: учеб. пособие [Текст] / Б.Е. Славин. - Новосибирск: СГУПС, 2004. - 138 с.
2. Официальный сайт RIEGL [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.riegl.com/
3. Горохова, Е.И Опыт применения наземного лазерного сканирования при съемке железнодорожного тоннеля [Текст] / Е.И. Горохова, А.В. Иванов // Сборник материалов науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009», 20-24 апр. 2009 г. - Новосибирск: СГГА, 2009. - Т. 1. -
C. 257- 260.
4. Комиссаров, А.В. Методика исследования метрических характеристик сканов [Текст]: автореф. дис. ... канд. тех. наук / А.В. Комиссаров. - Новосибирск, 2007. - 25 с.
5. Мосты и тоннели: учеб. пособие [Текст] / С.А. Попов, и др.; под ред. С.А. Попова. -
М.: Транспорт, 1977. - 526 с.
Получено 15.07.2010
© А.В. Середович, А.В. Иванов, Т.А. Широкова,
А.В. Антипов, А.В. Комиссаров, 2010
34
