Autorzy: inż. Marta Rajewska, inż. Maciej Gruszczyński. Opiekun naukowy: dr inż. Marcin Szołucha Koło Naukowe Studentów GeoPixel.

Transkrypt

1 OPRACOWANIE WYNIKÓW UZYSKANYCH Z POMIARU NAZIEMNYM SKANEREM LASEROWYM ORAZ PORÓWNANIE Z REZULTATEM PRACY ZINTEGROWANEGO SYSTEMU DO POMIARU WEKTORA PRZEMIESZCZENIA KONSTRUKCJI PRZEPRAW TYMCZASOWYCH I STAŁYCH. Autorzy: inż. Marta Rajewska, inż. Maciej Gruszczyński. Opiekun naukowy: dr inż. Marcin Szołucha Koło Naukowe Studentów GeoPixel. Abstrakt. Celem niniejszej publikacji jest określenie potencjału techniki pomiaru jaką jest skanowanie laserowe w zastosowaniu do badań deformacji tymczasowych przepraw mostowych eksploatowanych w wojsku. Przedmiotem opisanych badań jest jedna półkoleina przęsła przeprawy mostowej typu BLG-67, która podlegała próbom obciążeniowym masą około 15 ton. Została ona pomierzona w dwóch położeniach: przed i po zadziałaniu czynnika obciążającego. Wykorzystanym modelem naziemnego skanera laserowego w celu pozyskania chmur punktów jest Leica ScanStation 2. Równolegle z pomiarem skanerem laserowym pracownicy naukowi Centrum Geomatyki Stosowanej WAT prowadzili testy związane z powstaniem zintegrowanego systemu do pomiaru wektora przemieszczenia konstrukcji przepraw tymczasowych i stałych. Podczas jednego z cykli pomiarowych założono równoległy pomiar skanerem laserowym. Wyniki pomiaru systemu zintegrowanego posłużyły jako odniesienie do danych uzyskanych po opracowaniu zbiorów punktów uzyskanych ze skanowania. 1. Wstęp Monitorowanie deformacji o niewielkiej skali z wykorzystaniem naziemnego skanowania laserowego zasługuje na znaczną uwagę, głównie ze względu na wysoką rozdzielczość pozyskanych danych. Geodezyjny pomiar odkształceń obiektów wykonywany jest zazwyczaj w oparciu o pomiary technikami, które pozwalają na obserwacje ograniczonej liczby punktów kontrolowanych. Naziemne skanery laserowe są atrakcyjnymi systemami pomiarowymi, ponieważ tworzą teoretycznie nieograniczoną pod względem liczby punktów zaobserwowanych, informację o geometrii obiektu w trzech wymiarach. Wadą tej techniki

2 może być problem z identyfikacją odpowiadających sobie punktów na dwóch skanach tego samego obszaru powierzchni odkształcającej się, o ile nie są to specjalne cele, które mogą być wykryte przez oprogramowanie podczas postprocessingu. Pojedyncze punkty nie mogą zostać wykorzystywane do badania milimetrowych przemieszczeń ze względu na błędy pomiarowe oraz problemy identyfikacji punktów homologicznych na skanie wykonanym po zadziałaniu czynnika deformującego. Analiza deformacji wymaga rekonstrukcji powierzchni przed ich porównaniem dla skanów wykonanych w różnych epokach (dla czasu t 0 oraz t 1 ). Podczas odtwarzania geometrii, model powierzchni S 0, zbliżony do rzeczywistego kształtu obiektu S, jest tworzony ze zbioru punktów pomiarowych P 0, które z założenia leżą na lub w pobliżu nieznanej powierzchni S. Zabieg rekonstrukcji powierzchni nie może zagwarantować odwzorowania kształtu S dokładnie, ponieważ pomiar poszczególnych punktów ze zbioru P 0 w każdym przypadku jest zmienną losową. Oczywiście, wraz ze wzrostem gęstości próbkowania, powierzchnia modelu S 0 zbiega się z oryginalną powierzchnią S. Zamodelowanie określonej powierzchni nie jest procesem łatwym, ponieważ mierzone punkty nie są regularnie rozmieszczone oraz towarzyszy im tak zwany szum pomiarowy a modelowana powierzchnia może być dowolna, o nietypowym pod kątem geometrii kształtem. Metoda modelowania 3D musi wprowadzać właściwe formy brył i powierzchni oraz posiadać odpowiednie funkcje aproksymujące. Porównanie dwóch modeli obiektu M 0 oraz M 1 wykonanych na podstawie skanowania tegoż obiektu w dwóch epokach t 0 i t 1, przy założeniu niezmienności położenia skanera, może prowadzić do określenia odkształceń obiektu przy czym: M 0 - M 1 = s + d + b gdzie: s - szum pomiarowy związany z pomiarem zbędnych elementów; d deformacja; b błędy systematyczne związane z niedoskonałością sprzętu i wpływami środowiska oraz wynikające z uproszczeń podczas opracowania chmury punktów [3]. Niezaprzeczalną wadą skanowania laserowego jest stosunkowo długi czas wykonania pomiaru (czas wykonania jednego skanu w przypadku tymczasowej przeprawy mostowej BLG-67 wynosi ok minut). W związku z powyższym wyklucza się obserwacje obiektów szybkozmiennych z zastosowaniem techniki skanowania 2

3 laserowego. Podczas podań obciążeniowych na tymczasowej przeprawie mostowej konieczne jest unieruchomienie pojazdu obciążającego przęsło na czas skanowania. Rys.1. Zmechanizowany nożycowy most towarzyszący BLG - 67 w trakcie rozkładania przęsła [fot. zbiory własne]. Przedmiotem badań jest jednoprzęsłowy most nożycowy typu BLG-67 (Rys. 1), produkowany w Polsce na warunkach licencyjnych. Celem zastosowania tego typu konstrukcji jest organizowanie przepraw doraźnych o długości do 20 m i nośności 500 kn zarówno dla pojazdów gąsienicowych jak i kołowych. Złożoność konstrukcji wojskowych przepraw mostowych i specyfikacja przeznaczenia wymusza specjalistyczne podejście do zagadnienia badania deformacji takich obiektów. Milimetrowe dokładności wymagane przy badaniu odkształceń wymuszają restrykcyjne warunki dokładnościowe pozyskiwania i opracowania danych opisujących zjawisko przemieszczających się punktów. Znając zalety techniki skanowania laserowego autorzy niniejszej publikacji podjęli próbę wykonania pomiarów i opracowania wyników w celu uzyskania wymaganych informacji o deformacji obiektu. 2. Pozyskanie danych - prace terenowe Pomiar naziemnym skanerem laserowym tymczasowej przeprawy mostowej oraz testy zintegrowanego systemu do pomiaru wektora przemieszczenia miały miejsce 22 czerwca 2012 roku. 3

4 Odkształcenie, jakie zaistniało było spowodowane czynnikiem obciążenia zewnętrznego. Aby możliwe było wykonanie wielu cykli pomiarowych, wykorzystano do tego celu stanowisko do badania nośności kolein mostowych (Rys. 2). Część ruchoma rampy posiada możliwość podnoszenia i opuszczania za pomocą siłowników hydraulicznych. Płyta przekazująca obciążenie znajdując się w najwyższym położeniu została wsparta na poprzecznie ustawionym przęśle przeprawy mostowej BLG-67. Aby zwiększyć siłę nacisku na przęsło, na rampę wprowadzono pojazd. Łączną masę obciążającą oszacowano na 15 ton. Przewidywane maksymalne wartości przemieszczeń określono na kilkanaście centymetrów. Rys.2. Półkoleina przeprawy mostowej BLG - 67 oraz stanowisko do badania nośności kolein mostowych [fot. M. Szołucha]. W celu sprawnego przebiegu procesu skanowania przed przystąpieniem do pomiarów określono następujące założenia, a następnie według nich wykonano pomiary: I. Konieczność krótkotrwałego obciążania jednej półkoleiny ograniczyła możliwość wykonania więcej niż jednego skanu podczas działania czynnika deformującego. II. Pomiar skanerem przęsła w położeniu najwyższym (p 0 ) i najniższym (p 1 ) odbył się z tego samego stanowiska pomiarowego. Założenie to wynikało z podpunktu a) oraz przypuszczono, że wskutek niezmienność położenia skanera wykonane skany będą w tym samym układzie współrzędnych bez konieczności ich późniejszej orientacji wzajemnej. III. W celu określenia stabilności układu, w jakim pomierzone zostały chmury punktów wykonane w czasie t 0 oraz t 1, pozyskane zostały również chmury punktów przedstawiające tarcze HDS. 4

5 IV. Stanowisko skanera zostało wyznaczone w miejscu, z którego zaobserwowano najmniej przeszkód zasłaniających dźwigar przeprawy. Aby uzyskana dokładność wyznaczenia współrzędnych oraz gęstość punktów w jednym i drugim końcu przęsła była podobna, kąt padania wiązki laserowej powinien być w obu przypadkach porównywalny. V. Sterowanie pracą skanera w terenie odbywało się za pomocą laptopa przy użyciu oprogramowania Leica Cyclone w module SCAN. Został wybrany zakres i gęstość skanowania oraz opcja automatycznego rozpoznawania i pomiaru płaskich tarcz HDS. W wyniku pomiarów otrzymano dwie chmury punktów P 0 i P 1, w obu przypadkach gęstość siatki punktów wynosiła 1 mm dla odległości skanowania równej 5 m. 3. Opracowanie wyników skanowania - prace kameralne Podczas opracowywania chmur punktów wykonano filtrację danych, modelowanie oraz rejestrację. Następnie wykonano pomiary wartości wektorów przemieszczeń oraz opracowano wyniki w formie graficznej, jak również w postaci zestawień tabelarycznych. W procesie modelowania fragmentów półkoleiny tymczasowej przeprawy mostowej przyjęto następujące założenia: I. Błąd średni wpasowania płaszczyzny nie powinien przekraczać 2 mm, ponieważ wartość tego błędu ma bezpośredni wpływ na dokładność wyznaczenia wektora przemieszczenia. Optymalna wartość tego błędu powinna wynosić mniej niż 1 mm. W celu uzyskania błędu o tak małej wartości konieczne jest wyodrębnienie powierzchni, które przed i po zadziałaniu czynnika deformującego zachowują płaskość. Płaszczyzny powinny być aproksymowane z jak największej liczby punktów, gdyż wartość średnia jest najbliższa wartości prawdziwej. Przy generowaniu każdej płaszczyzny zachowywano zasadę optymalnego stosunku liczby aproksymowanych punktów do wartości bezwzględnego błędu średniego wpasowania płaszczyzny. II. W celu ujednolicenia i lepszej orientacji przestrzennej otrzymanych wyników przyjęto ortogonalny układ odniesienia związany z przęsłem. III. W związku z działaniem siły ciężkości, największe wartości przemieszczeń przewiduje się w kierunku pionowym, zatem najwięcej zamodelowanych elementów powinno znajdować się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku pionu. IV. Aby możliwa była identyfikacja odpowiedniej zamodelowanej płaszczyzny konieczne jest rozróżnienie wyglądu płaszczyzn pozyskanych z odrębnych chmur punktów. 5

6 W wyniku modelowania według przyjętych założeń otrzymano następującą liczbę płaszczyzn: - 50 umożliwiających pomiar przemieszenia wzdłuż osi Z, - 10 umożliwiających pomiar przemieszenia wzdłuż osi X, - 7 umożliwiających pomiar przemieszenia wzdłuż osi Y. Rys. 3. Wynik etapu modelowania i orientacji wzajemnej wraz z zobrazowaniem przyjętego układu odniesienia związanego z badanym przęsłem w położeniu nominalnym p 0 [opracowanie własne]. Po wykonaniu dwóch pierwszych etapów wynikiem pracy były dwa modele fragmentów przęsła: M 0 w położeniu nominalnym i M 1 po zadziałaniu czynnika deformującego. Każdy z modeli znajdował się w odrębnej przestrzeni modelowej. Aby możliwe było realizowanie pomiarów konieczne było wykonanie orientacji lub kopiowania jednego z modeli do przestrzeni modelowej zawierającej drugi model. O metodzie połączenia modeli w jedną przestrzeń modelową zadecydowano na podstawie określenia tożsamości układów, w jakich znajdują się M 0 i M 1. Wynikiem porównania współrzędnych centrów tarcz HDS były rozbieżności rzędu jednego milimetra, które nie mogły zostać zaakceptowane w celu uzyskania wartości przemieszczeń z dużą dokładnością. Po wykonanej orientacji wzajemnej chmur punktów wraz z modelami uzyskano niezerowy wektor błędu, który tłumaczyć można nieznacznym przesunięciem się znaku sygnalizowanego spowodowanym podmuchami wiatru lub wpływem błędu 6

7 automatycznego wykrywania centr tarczy przez oprogramowanie. Wartość wektora błędu wyniosła 0,4 mm. Na podstawie analizy wpływu poszczególnych elementów na błąd średni pojedynczego pomiaru wartości przemieszczenia w kierunku danej osi odniesienia określono wzór na wartość teoretyczną tego błędu: m dx i = m p0j 2 + m p1j 2 + m dx 2 m dy i = m p0j 2 + m p1j 2 + m dy 2 gdzie: m dzi = m p0j 2 + m p1j 2 + m dz 2 m dxi, m, m dy d i y - średni błąd pomiaru i-tej wartości przemieszczenia odpowiednio i w kierunku osi X, osi Y i osi Z układu U p związanego z przęsłem mostowym ; m p0j - błąd średni wpasowania j-tej płaszczyzny w chmurę punktów P 0; m p1j - błąd średni wpasowania j-tej płaszczyzny w chmurę punktów P 1; m dx, m dy, m dz - błąd średni składowej odpowiednio dx, dy, dz wektora błędu rejestracji chmur punktów. 4. Omówienie wyników i porównanie z rezultatem pracy zintegrowanego systemu Na podstawie opracowania danych pozyskanych z naziemnego skanera laserowego uzyskano błędy średnie pomiaru przemieszczenia względnego o wartościach skrajnych ±0.3 i ±2.3 mm, natomiast ponad połowa wektorów została wyznaczona z błędem mniejszym niż 1 mm. Duża rozbieżność wartości błędów średnich świadczy o charakterze wykorzystanej metody pomiaru przemieszczeń. Pomiary jakie były wykonywane podczas testów systemu zintegrowanego na przeprawie mostowej BLG - 67 odbywały się z wykorzystaniem trzech różnych technik pomiarowych wchodzących w skład tego systemu, a mianowicie: wysokoczęstotliwościowych odbiorników GPS/GLONASS, indukcyjnych czujników przemieszczeń oraz niwelatorów kodowych. Dodatkowo w skład systemu wchodzi część teleinformatyczna oraz stacja robocza. W przypadku odbiorników satelitarnych przesyłana 7

8 jest informacja o czasie akwizycji pomiaru, dzięki czemu możliwa jest integracja wszystkich pomiarów w odniesieniu do jednolitej, precyzyjnej skali czasu. Pomiary punktowe zaprezentowane na rysunku nr 4 są to pomiary niwelatora, którego czas cyklu pomiarowego pozwalał tylko na wyznaczenie wartości skrajnych położeń obciążanego mostu. Dane ciągłe (wskazujące przemieszczenia obiektu) dostarczane były tylko przez czujnik indukcyjny kolor zielony i odbiorniki GNSS kolor niebieski. Rys. 4. Rezultat pomiarów wykonanych w oparciu o system zintegrowany [opracowanie własne]. Na wykresie zamieszczonym powyżej widać kilka cykli pomiarowych stanowiących pierwszy etap pomiaru. Kilkadziesiąt sekund przed godziną płyta przekazująca obciążenie została wstrzymana w górnym położeniu i od tego czasu przerwano pracę podnośników na czas skanowania. Poszczególne elementy systemu, z których informacje o przemieszczeniu poddane zostały analizie, tj. niwelacyjna łata kodowa, czujnik indukcyjny i antena odbiornika GPS, rozmieszczone były w środkowej części przęsła. W tym miejscu także została zamodelowana jedna z płaszczyzn, a wynik pomiaru wektora przemieszczenia pozwolił na określenie dokładności pomiaru przemieszczenia metodą opracowania produktów skanowania laserowego. Opisane powyżej dane zostały zestawione w tabeli nr 1. 8

9 Analizując zawarte informacje w poniższej tabeli zauważa się zgodność otrzymanych wyników w zakresie wartości błędu średniego wartości średniej. Przy zastosowaniu odpowiednich zasad wyodrębniania powierzchni płaskich i modelowania płaszczyzn udało się uzyskać wektor przemieszczenia względnego o wartości zgodnej z pomiarem odniesienia w zakresie ± 0.1. Tab. 1. Zestawienie informacji o czujnikach i uzyskanych wartości przemieszczeń. Nazwa techniki pomiarowej Średnia częstotliwość akwizycji podczas pomiaru Szacowana dokładność pojedynczego pomiaru Średnia wartość przemieszczenia względnego [mm] Elementy zintegrowanego systemu Czujnik indukcyjny Niwelator kodowy Leica Sprinter 250 Odbiornik GPS RTK Trible Skanowanie Laserowe 0.5 Hz 5 Hz 10 Hz mm 1 mm 1cm ± ± ± ± Podsumowanie Reasumując, badanie przyniosło zamierzony efekt, jednak warto zaznaczyć, iż wybrana technika pomiarowa nie może zostać zastosowana w celu monitorowania obiektów w czasie rzeczywistym, gdyż wyniki otrzymuje się dopiero w procesie obróbki danych. Metoda rekonstrukcji powierzchni odkształcanej na podstawie danych ze skaningu nie może zostać zastosowana w przypadku, gdy konieczna jest szybka reakcja na zaistniałe krytyczne wartości przemieszczeń. Nad systemami kontrolnomonitorującymi skanowanie laserowe uzyskuje przewagę dzięki teoretycznie nieograniczonej liczbie punktów kontrolowanych. Chmura punktów pozwala na rekonstrukcję całej widocznej strony obiektu. Dane mogą zostać opracowywane w powszechnie stosowanym środowisku CAD. Technika naziemnego skanowania laserowego okazuje się idealnym uzupełnieniem innego systemu monitorującego, przykładowo takiego, nad działaniem jakiego pracuje zespół Centrum Geomatyki Stosowanej istniejący na Wojskowej Akademii Technicznej. 9

10 6. Literatura [1] Bogusz J., Nykiel G., Szołucha M., Szymański P., Wrona M., Zintegrowany system kontrolno- monitorujacy dla obiektów inżynierskich- koncepcja i wyniki testów, Transcomp- XV International Conference Computer Systems Aided Science, Industry and Transport, Zakopane [2] Bojarowski K., Dumalski A., Kamiński W., Mroczkowski K., Trystuła J., Ocena możliwości wykorzystania skanera laserowego ScanStation firmy Leica w badaniu deformacji obiektów budowlanych, Czasopismo techniczne zeszyt 2/2008, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej. [3] Lichti D., Pfeifer N., Tsakiri M., Terrestrial laser scanning for deformation monitoring, 3rd IAG / 12th FIG Symposium, Baden, May 22-24, [4] NO-23-A501:2004, Mosty zmechanizowane Metody badań. [5] Szefostwo Wojsk inżynieryjnych, Most czołgowy BLG-67, BLG-67P, BLG-67M i BLG-67M2 opis i użytkowanie, Wydawnictwo MON, Warszawa