VYUŽITÍ SKENOVACÍCH SYSTÉM PRO M ENÍ POSUN

Transkript

1 VYUŽITÍ SKENOVACÍCH SYSTÉM PRO M ENÍ POSUN Ji í Pospíšil, Bronislav Koska, Tomáš K emen, Martin Štroner Abstract There is stated an analysis of possibilities of using scanning technology for measuring displacements and deformations in engineering surveying by means of experiments in laboratory and measuring in real environment in the gallery of the UEF Josef complex and in the built railway tunnel "Nové spojení" ( New connection ) in Prague. A new method of average displacements of points was designed for purpose evaluation of normal displacements of any surface. This method is based on average difference digital model of surface in two stages for the observed areas and the result is not burdened so much with measuring noise. 1. Úvod M ení posun a p etvo ení je d ležitou sou ástí geodetických prací p i provád ní a monitorování staveb. V sou asné dob jsou nej ast ji používané zp soby m ení posun a p etvo ení s využitím totálních stanic nebo GNSS technologií. Zajímavou možností, která se nabízí v oblasti m ení posun a p etvo ení, je technologie skenování, která nedosahuje pro jednotlivé body takové p esnosti jako v p ípad p esných totálních stanic nebo dlouhodobých observací GNSS, ale tento nedostatek vyvažuje v rychlosti m ení, hustot bod a komplexnosti zachycení povrchu. V rámci ešení výzkumného zám ru MSM Udržitelná výstavba byly posouzeny možnosti využití technologie skenování pro m ení posun a p etvo ení pomocí experiment, které ov ují p esnost ur ení posun HDS ter, mra na bod a vymodelovaných rovin. Experimenty byly provedeny v laboratorních podmínkách s využitím interferometru i v podmínkách d lní štoly a tunelu. Výsledky byly posouzeny s využitím hypsometrických map a na základ výpo tu sm rodatných odchylek posun. 2. Experimentální m ení v laborato i Posuny byly ur ovány nejd íve v podélném sm ru ve vzdálenosti vozíku interferometru od skeneru p ibližn 16 m a 5 m. Na vozíku byly umíst ny dva ter e HDS 3" 3" tvercového tvaru, jeden kruhový ter o pr m ru 6" a p esná koule o pr m ru 218 mm (obr. 1) a zam eny v deseti pozicích. Posuny mezi jednotlivými pozicemi byly v ádu centimetr. Obr. 1 Fotografie a mra no bod ter na vozíku interferometru Ji í Pospíšil,prof.,Ing.,CSc.,Bronislav Koska,Ing.,Tomáš K emen,ing.,martin Štroner,Ing.,Ph.D. VUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra speciální geodézie Thákurova 7, Praha 6 Dejvice tel.: fax.: pospisil@fsv.cvut.cz 154/239

2 Ter e byly ve všech pozicích zam eny jako HDS ter e s využitím vnit ního procesu ur ování polohy identických bod programem Cyclone Scan. Stejným zp sobem byla zam ena i koule. Pak byla na vozíku umíst na rovina tak, aby normála této roviny byla p ibližn rovnob žná se sm rem skenování. Pro ur ení posun v p í ném sm ru bylo provedeno m ení na vzdálenost p ibližn 5 m z d vodu omezených prostor laborato e. Z t chto pozic byly vypo teny posuny ter mezi jednotlivými etapami. Ty byly porovnány s p esnými posuny získanými z m ení interferometru. Vzhledem k p esnosti interferometru (0,7 m ) lze získané rozdíly považovat za skute né chyby. Z t chto chyb byly vypo teny sm rodatné odchylky posunu ter. P i ur ování kulového ter e byl v programu Cyclone Scan použit pr m r standardních kulových HDS ter (pr m r 6"). P i ur ování posun roviny v podélném sm ru byly její mra na bod v jednotlivých etapách proloženy rovinou v Cyclonu. Pro posouzení posunu byla vypo tena vzdálenost jednoho bodu jedné roviny od roviny druhé. Zam ení roviny je možné použít pro posouzení sm rodatné odchylky posunu jednoho bodu mra na. K tomu je možné použít metodu rozdílu dvou digitálních model povrchu (DSM). Pro každý bod jednoho mra na je vypo tena vzdálenost k DSM vytvo eného z druhého mra na. Tato vzdálenost je porovnána se vzdáleností ur enou interferometrem. Dosažený rozdíl je považován za skute nou chybu. Je-li o ekáván homogenní a k povrchu p ibližn normálový posun, byla k posouzení posun navržena metoda pr m rného posunu bodu. Metoda je použitelná pro povrch libovolného tvaru. Základ metody je stejný jako v p edchozím odstavci. Pro ob mra na je vytvo en DSM. V dalším kroku je vytvo en rozdílový model. Pr m rná sou adnice Z rozdílového modelu v ur ité oblasti p edstavuje pr m rný posun. P esnost zam - ení tvercového a kruhového rovinného HDS ter e je obdobná. Sm rodatná odchylka posunu rovinného HDS ter e a koule v podélném sm ru je p ibližn 0,7 mm ve vzdálenosti 5 m i 16 m. Pro rovinu ve vzdálenosti 5 m je sm rodatná odchylka 0,36 mm. Dále byla zjišt na sm rodatná odchylka posunu jednoho bodu mra na v podélném sm ru o hodnot 3,3 mm. Sm rodatná odchylka posunu rovinného HDS ter e v p í ném sm ru je p ibližn 0,15 mm a pro kouli 0,85 mm. Vyšší p esnost v p í ném sm ru je dána vyšší úhlovou p esností skeneru HDS 3000 oproti p esnosti délkové [1]. Pro vyhodnocení normálových posun libovolného povrchu byla navržena metoda pr m rného posunu bod. Ta je založena na rozdílovém DSM sledované oblasti. Výsledek není zatížen šumem m ení. Tato metoda byla použita pro vyhodnocení podélných posun roviny a výsledná sm rodatná odchylka je 0,32 mm. 3. M ení v d lní štole komplexu UEF Josef M ení probíhala v p ímém úseku páte ní p ístupové ásti komplexu UEF Josef, která má p ibližn obdélníkový pr ez o rozm rech 4,2 m 2,7 m. Bylo zam ováno p ibližn 15 m štoly s rozlišením 25 mm ve vzdálenosti 8 m (obr. 2). Obr. 2 Mra no bod štoly 155/239

3 4. M ení v tunelu Nové spojení Další m ení probíhala v jižním tubusu dvoukolejného železni ního tunelu budovaného v rámci projektu "Nové Spojení". Tunel je ve fázi budování sekundárního ost ní. M ení probíhalo na primárním ost ní v p ímé ásti tunelu (povrch st íkaný beton). Tunelový tubus je p ibližn válcového tvaru o pr m ru p ibližn 12 m viz obr. 3. Bylo zam eno 50 metr tunelu. M ení bylo rozd leno na p t desetimetrových segment. Hustota skenování 50 mm 50 mm byla vždy nastavena pro pr m rnou vzdálenost segmentu od skeneru. Z d vodu snížení hustoty podrobných bod na ost ní v podélném sm ru s rostoucí vzdáleností od skeneru ([2]) byl poslední segment ješt zam en s hustotou 20 mm 20 mm. Obr.3 Mra no bod železni ního tunelu Veškeré m ení prob hlo z jednoho stanoviska. Každý segment byl zam en dvakrát s nastavením mírn zm n né oblasti skenování, aby bylo zajišt no m ení odlišných bod. Krom toho byl zam en první a tvrtý segment p i identickém nastavení parametr skenování. P i zpracování byl nejprve vytvo en DSM pro každý sken. Ze dvou sken stejné oblasti byl dále vytvo en rozdílový DSM, který je následn zobrazen hypsometricky a interpretován. íselné výsledky byly použity také pro ur ení sm rodatné odchylky jednoho bodu mra na (tab.1). K vyhodnocení byl použit program Atlas s nadstavbou Tunel. Interpretace šumem zatížených hypsometrických model je obtížná a proto byla dále použita metoda pr m rného posunu (obr. 4,5).V tab.1 je v sekci m ení po identických bodech z etelný pokles sm rodatné odchylky jednoho bodu s rostoucí vzdáleností segmentu od skeneru. To je pravd podobn zp sobeno zv tšeným úhlem dopadu laserového svazku a díky tomu potla eným vlivem p esnosti dálkom ru a zvýšeným vlivem p esnosti m ení úhl ([2]). V sekci m ení rozdílných bod je vid t v segmentu p t vyšší p esnost p i m ení totožné oblasti s v tší hustotou skenování. To je pravd podobn zp sobeno menší generalizací zam ovaného povrchu a tedy snížením vlivu jeho lenitosti. V tab. 1 je dále vid t, že sm rodatná odchylka v posunu jednoho bodu se i v reálném prost edí pohybuje kolem 3 mm, stejn jako v laboratorních podmínkách. Pokud je použita metoda pr m rných posun, jsou dosažené sm rodatné odchylky zhruba polovi ní. Jejich konkrétní velikost závisí na velikosti pr m rované oblasti a na hustot skenování. Velikost pr m rované oblasti je nutné volit podle o ekávaných rozm r deformované zóny. V uvedeném p íkladu povrchu ze st íkaného betonu byla zvolena oblast 0,5 m 0,5 m. Podrobn jší výsledky jsou v [3]. 156/239

4 Obr. 4 Diferen ní DSM rozvinutého povrchu tunelu body a pr m ry Obr. 5 Diferen ní DSM rozvinutého povrchu tunelu body a pr m ry /239

5 Segment íslo Sken. minus sken. Sm rodatná odchylka jednoho bodu /mm Vzdálenost povrchu /m Úhel dopadu /gon Po et bod /tisíce Sm rodatná odchylka pr m. posunu /mm Rozdílné , body , , , , ,5 vyš.hust , ,7 Identické , body , Tab. 1 Sm rodatná odchylka posunu jednoho bodu 5. Záv r Zajímavou možností, která se nabízí v oblasti m ení posun a p etvo ení, je technologie skenování. Byly posouzeny možnosti využití technologie skenování pro m ení posun a p etvo ení pomocí experiment v laborato i a m ení v reálném prost edí v d lní štole komplexu UEF Josef a v budovaném železni ním tulenu "Nové spojení" v Praze. Pro vyhodnocení normálových posun libovolného povrchu byla navržena metoda pr m rného posunu bod, která je založena na rozdílovém digitálním modelu povrchu sledované oblasti a výsledek není tolik zatížen šumem m ení. Bylo prokázáno, že sm rodatná odchylka v ur ení posunu jednoho bodu je v reálném prost edí p ibližn 3 mm (do vzdálenosti 50 m) a sm rodatná odchylka ur ení posunu vymodelovaného objektu je nižší než 1 mm. Obecn lze íci, že p esnost v ur ení p í ných posun je vyšší než p esnost ur ení posun podélných. To je zp sobeno vyšší úhlovou p esností oproti p esnosti dálkom ru u systému HDS Metoda pr m rných posun umož uje snadn jší interpretaci hypsometrických dat a dosahuje vyšších p esností (až t ikrát) p i ur ování posun než u jednotlivých bod mra na. Literatura [1] K EMEN, T.- KOSKA, B. POSPÍŠIL, J.: Verification of Laser Scanning Systems Quality. FIG XXIII. Congress Shaping the Change [CD-ROM] Munich,October 2006, TS 24.4, pp [2] K EMEN, T. - KAŠPAR, M. - POSPÍŠIL, J.: Operating Quality Control of Ground Machines by Means of the Terrestrial Laser Scanning System. In: Image Engineering and Vision Metrology [CD-ROM]. Dresden: ISPRS, [3] POSPÍŠIL, J. - KOSKA, B. - K EMEN, T.: Using Laser Scanning Technologies for Deformation Measuring. In: Optical 3-D Measurement Techniques VIII. Zürich: ETH, 2007, vol. 2, s Pod kování Tento p ísp vek vznikl za podpory VZ04CEZMSM Udržitelná výstavba 158/239