CC BY
141
УДК 528.8.042+[528.48:624.19]
Е.И. Горохова СГГ А, Новосибирск
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ТОННЕЛЕЙ
Ye. I. Gorokhova SSGA, Novosibirsk
GROUND-BASED LASER SCANNING APPLICATION FOR TUNNELS ENGINEERING SURVEYS DATAWARE
Ground-based laser scanning application is considered as possible for tunnels engineering surveys dataware. Main criteria are derived which prove this technology to be efficient for tunnel construction. The factors affecting measurements accuracy are pointed out. The author gives a review of scanners main characteristics in the context of their application for tunnels engineering surveys dataware. The fields of application of ground-based laser scanning and traditional methods are determined. Also shown are the improvements in this sphere due to the technology introduction.
Темпы современного строительства, в том числе и уникальных сооружений, таких как тоннели, предъявляют особые требования к оперативности, точности, надежности получения геопространственных данных, на основе которых можно получить необходимые характеристики и параметры объектов. Традиционные методы, применяемые в тоннелестроении, не способны обеспечить все вышеперечисленные условия. На мой взгляд для этой цели большие перспективы раскрывает метод наземного лазерного сканирования. Данная технология позволяет перейти на качественно новый уровень сбора трехмерной метрической информации об объектах.
Но при этом нужно сказать, что не следует полностью отказываться от традиционных методов геодезического обеспечения, т.к. оно продолжает играть огромную роль на протяжении всего периода строительства тоннеля -от изысканий и до сдачи его в эксплуатацию. Обычно выполняются следующие виды топографо-геодезических работ [1]:
- Создание планового и высотного геодезического обоснования тоннеля на поверхности;
- Создание подземного маркшейдерского планово-высотного обоснования;
- Создание системы исходных и осадочных реперов для определения осадок и деформаций зданий и сооружений (на поверхности и под землей);
- Проведение циклов наблюдений за осадками и деформациями наземных и подземных сооружений;
- Проведение геодезических измерений для определения объемов выполненных основных строительных работ;
- Топографические съемки различных масштабов (от 1:25000 до 1:200);
- Различные разбивочные геодезические работы;
- Ориентировка подземных выработок;
- Съемка различных подземных коммуникаций;
- Составление и ведение исполнительных чертежей и другой графической документации и т. д.
Возможности применения любой новой технологии определяются в первую очередь точностью измерений. Понятно, что погрешности измерений должны быть меньше или сопоставимы с погрешностями, получаемыми при традиционных методах. В противном случае применение новой технологии просто бессмысленно.
При использовании наземного лазерного сканирования пространственные координаты точек объекта вычисляются [2]:
X = ГХ СОБ^ХБІП в'
(1)
Y = rx sin (рх sin в
Z = rx cos0
где X, Y, Z - пространственные координаты в системе координат сканера;
r - измеренная дальность от точки стояния сканера до объекта;
Ф - горизонтальный угол измеренного направления;
в - вертикальный угол измеренного направления отсчитываемый от оси Z до вектора направления (зенитное расстояние измеренного направления).
Из приведенной формулы видно, что точность измерения координат зависит от следующих факторов:
- Точности измерения расстояний;
- Точности измерения углов направления распространения лазерного луча;
- Величины расходимости лазерного излучения.
Кроме этого на точность измерения координат оказывают влияние следующие параметры [3]:
- Влияние отражающей способности различных поверхностей (белые поверхности дают более сильный отраженный сигнал, чем темные. Сила сигнала, отраженного от цветных поверхностей зависит от спектральных характеристик лазера в зеленом, красном и ближнем инфракрасном диапазоне);
- Влияние атмосферы на прохождение лазерного излучения (рефракция и рассеяние лазерного излучения в атмосфере);
- Ошибки привязки точечной модели к внешней системе координат (они зависят от точности определения координат опорных точек сканером, ошибки координирования марок при помощи тахеометра, детальности
областей перекрытий у двух точечных моделей и реализации алгоритма трансформации точечных моделей по перекрытиям или опорным точкам);
- Ошибки, вызванные степенью прогрева лазерного источника (могут в несколько раз превосходить заявленную точность измерений);
- Стабильность положения сканера в процессе работы (важно, чтобы лазерный сканер не подвергался никаким внешним механическим воздействиям, таким как вибрация, сдвиг штатива и т. д., т. к. влияние таких воздействий может понизить точность полученных результатов и его очень трудно или практически невозможно учесть в полученных результатах).
В настоящее время точность определения координат в зависимости от модели сканера варьируется от десятых долей миллиметра (у сканеров, работающих по принципу оптической триангуляции) до 25 миллиметров. Точность измерения расстояний зависит от способа измерения расстояний и конструкции дальномера. У сканеров, работающих в фазовом режиме, она несколько выше, чем у сканеров, работающих в импульсном режиме. Большинство сканеров в настоящее время измеряют расстояния с точностью нескольких миллиметров на первых десятках метров. Точность измерения углов составляет порядка 3” - 10”. Большое влияние на точность оказывает величина расходимости лазерного излучения: чем больше размер лазерного пятна, тем менее точный получается результат при измерении расстояний до поверхности [3].
Из вышесказанного следует, что для геодезического обеспечения тоннелей наиболее оптимальным является использование импульсных сканеров с большим углом поля зрения. Например, сканер Mensi GS200, Faro 880.
Весомым аргументом в пользу применения метода наземного лазерного сканирования в тоннелестроении является большой объем измерений и возможность построения по ним трехмерных моделей объектов. Точечная модель, получаемая в процессе сканирования, изначально не является векторной, но по ней можно выполнять пространственные измерения: вычислять объемы насыпи и выемки, расстояния между точками, нормальные расстояния от точки до поверхности, между поверхностями и осями и отдельными составляющими модели. Стоимость такой точечной модели относительно невысокая. Поэтому необходимо четко оценивать целесообразность векторизации изображения, поскольку в некоторых случаях (например, для контроля формы в процессе строительства, вычисления объемов, поведения измерения на недоступных участках и т. д.) вполне достаточно и необходимо по временным и материальным затратам иметь растровую модель.
Анализ выполняемых топографо-геодезических работ в тоннелестроении и возможностей метода наземного лазерного сканирования позволяет определить основные виды работ:
- Наземная и подземная топосъемки, производимые до начала, во время и по окончании строительных работ;
- Анализ отклонений от проектных значений;
- Наблюдение за деформациями, как самого сооружаемого тоннеля, так и различных наземных и подземных зданий и сооружений, находящихся вблизи района работ;
- Оперативное определение объёмов вывезенного грунта;
- Расчет фактического объёма земляных работ;
- Отслеживание состояния объектов в реальном времени;
- Создание трехмерной модели тоннеля и прилегающих сооружений.
Наиболее важным является обеспечение требуемой точности сопряжения сооружений между собой, соблюдение запроектированных геометрических форм и точность ориентировки подземных выработок, а также наблюдение и изучение деформаций.
Для успешного решения данных задач необходима интеграция новых технологий с уже существующими. Основная задача традиционной геодезии в этом случае - координирование опорных точек, по которым данные сканирования «связываются» друг с другом и с опорными пунктами планововысотного обоснования и трансформируются в требуемую систему координат.
Технология наземного лазерного сканирования появилась недавно и в настоящее время находится в стадии активного развития. Это означает, что круг задач, решаемых в тоннелестроении с ее помощью будет расширяться. Технология наземного лазерного сканирования позволяет получать наиболее полную и точную информацию об объекте в кратчайшие сроки. Большим плюсом является то, что вся отчетная горно- графическая документация ведется в электронном виде, что повышает оперативность принятия управленческих решений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Черемисин, М.С. Геодезическо-маркшейдерская разбивочная основа при строительстве подземных сооружений / М.С. Черемисин, А.В. Воробьев. - М.: Недра, 1982. - 262 с.
2. Комиссаров, А.В. Методика исследования метрических характеристик сканов / А.В. Комиссаров // Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 25.0034 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», Новосибирск: СГГА, 2007. - 201 а
3. Середович, А.В. Методика создания цифровых моделей объектов нефтегазопромыслов средствами наземного лазерного сканирования / А.В. Середович // Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 25.00.32 - «Геодезия», Новосибирск: СГГА, 2007. - 165 с.
© Е.И. Горохова, 2008
