Pelagia BIŁKA, Magda PLUTA Dr inż. Bartosz MITKA. EPISTEME 18/2013, t. 3 s ISSN

Transkrypt

1 Pelagia BIŁKA, Magda PLUTA Dr inż. Bartosz MITKA EPISTEME 18/2013, t. 3 s ISSN WYKORZYSTANIE NOWOCZESNYCH TECHNIK POMIAROWYCH W MONITOROWANIU DUŻYCH OBIEKTÓW HYDROTECHNICZNYCH THE USING OF MODERN MEASUREMENT TECHNIQUES IN MONITORING LARGE HYDROTECHNICAL OBJECTS Abstrakt. Dynamicznie rozwijająca się technologia naziemnego skaningu laserowego coraz częściej znajduje zastosowanie w pomiarach strategicznych obiektów inżynierskich. Przedmiotem badań jest analiza zastosowania naziemnego skaningu laserowego do monitorowania budowli hydrotechnicznych na przykładzie zapory wodnej Solina - Myczkowce. Cel pracy stanowi analiza geometrii obiektu na podstawie danych pozyskanych z naziemnego skaningu laserowego. Wielu autorów podejmuje dyskusję czy duża liczba obserwacji jest w stanie zrekompensować niższą, w odniesieniu do metod tradycyjnych, precyzję pomiaru. Dzięki odpowiednio gęstej chmurze punktów, postawiony w pracy cel, może być zrealizowany, dając jednoznaczne wyniki. Artykuł prezentuje możliwości sporządzenia dokumentacji obiektu hydrotechnicznego, uzyskane dokładności oraz napotkane problemy w trakcie opracowywania danych. Słowa kluczowe: naziemny skaning laserowy, monitorowanie obiektów, zapora wodna Summary. Rapidly growing terrestrial laser scanning technology is increasingly used in the measurement of strategic engineering objects. The subject of research is the analysis of the application of terrestrial laser scanning for monitoring hydrotechnical edifice on the example of dam Solina - Myczkowce. Aim of the study is the analysis of the geometry of an object created on the basis of cross-sections and the digital surface model of the object. Many authors take the discussion of the large number of observations is able to compensate for the lower, in relation to traditional methods, the precision of the measurement. Thanks to a dense of point cloud put in the work goal can be achieved by giving clear results. Sections present the results of a study by a cloud points, which, in relation to the objectives of the project point to the (non) compliance with the state of the current projected. Key words: terrestrial laser scanning, engineer object monitoring, water dam 437

2 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka WSTĘP Artykuł prezentuje wyniki badań, które w opinii wielu autorów mogą być poważnym wyzwaniem naukowym. Hipoteza badawcza brzmi: czy możliwe jest wykorzystanie techniki naziemnego skaningu laserowego w monitorowaniu dużych obiektów inżynierskich, jakimi są zapory wodne? Monitorowanie statycznych zachowań zapór wodnych od zawsze stanowi poważny temat badań, wymagający ciągłości i precyzji obserwacji, nie bez znaczenia jest bowiem wpływ, jaki budowle tego typu mają na otaczający je krajobraz. Na przestrzeni dekad w dziedzinie geodezji nowe instrumenty pomiarowe, przynoszą nowe technologie, które pozwalają na permanentne obserwacje mechaniki budowli. Niwelacje precyzyjne, czy też tachimetria wysokiej precyzji dostarczają jednak niewielkiej ilości danych numerycznych punktów położonych na czole zapory. Skaning laserowy jest zdolny pozyskać w krótkim czasie chmurę punktów, która nie tylko zawiera dane nume- budowli, lecz także wszystkich dostępnych dla wiązki lasera detali architektonicznych, miejsc bardziej lub mniej narażonych na deformacje, lub niedostępnych dla tradycyjnych metod pomiarowych. Współcześnie, naukowcy coraz częściej podejmują tematykę zastosowania TLS (Terrestrial Laser Scanning) nie tylko do monitorowania zapór wodnych lecz także do określania ich przemieszczeń i odkształceń (Teskey, Bijon, 2005; Guarnieri, 2006). Aprobatę zastosowanie TLS w geodezji inżynieryjnej prezentują także włoscy naukowcy w publikacji poświęconej monitorowaniu zapory wodnej Jeziora Cancano ( Alba i in., 2006). Prócz analizy dokładności i stabilności punktów georeferencyjnych, podejmują problem wykorzystania chmury punktów do komputerowego określania przemieszczeń i odkształceń. Podobne zagadnienie podejmuje także (Schneider, 2006). W swojej publikacji proponuje określanie deformacji dużych obiektów inżynierskich z wykorzystaniem TLS. Chmury punktów z różnych okresów pomiarowych są porównywane do siebie, a także są porównywane do modelu matematycznego budowli. Głównym celem badań jest przeprowadzenie dyskusji na temat możliwości monitorowania geometrii elementów konstrukcji zapory wodnej w Solinie, przy pomocy przekrojów poprzecznych płaszczyzny spływu, wyznaczonych dwoma metodami. 438

3 Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych w monitorowaniu... MATERIAŁY I METODY We wrześniu 2012 roku Koło Naukowe Geodetów Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie dokonało pomiaru metodą skaningu laserowego Zapory Wodnej Solina Myczkowce. Zapora wodna w Solinie jest największą budowlą hydrotechniczną w Polsce, obiektem strategicznym o długości 664 m, wysokości 82 mi objętości betonu m 3. W ciągu 2 dni przeprowadzono pomiar skanerem laserowym Leica ScanStation C10. Gęstość chmury punktów ustalono na poziomie 2 cm. Pomiary wykonano w układzie lokalny bez nawiązania z 12 stanowisk, wraz z pomiarem tarcz celowniczych jednoznacznie identyfikowalnych na chmurze punktów. Ostatecznie z prac polowych otrzymano materiał badawczy w postaci chmur punktów. Ryc. 1. Pierwsze prace kameralne wykonane zostały w programie Cyclone 7.3. Po imporcie danych, dokonano połączenia chmur punktów poprzez funkcję wpasowania chmura w chmurę przy wykorzystaniu modułu Rejestracja programu Cyclone 7.3, z dokładnością wpasowania na poziomie 0,007 m. Następnym etapem prac było czyszczenie chmur punktów. Po obróbce wstępnej materiału badawczego wyodrębniono z całego modelu zapory wodnej tylko chmury punktów odnoszące się do powierzchni spływów, dla których zaplanowano 439

4 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka przeprowadzić analizę geometrii. Po ustaleniu zakresu materiału badawczego, korzystając z funkcji programu Cyclone 7.3 zdefiniowano lokalny układ współrzędnych (ryc.1). W oparciu o zdefiniowany układ wyodrębniono fragmenty chmury punktów, będące przekrojami poprzecznymi w układzie kartezjańskim. Przy pomocy narzędzi program Cyclone 7.3, z modelu spływu wycięto kolejno 9 plastrów chmur punktów dla przekrojów poprzecznych, o szerokości 10 cm; a ich współrzędne wyeksportowano do pliku tekstowego. W celu zbadania geometrii spływu zapory wodnej w Solinie zaplanowano wyznaczenie przekrojów dwoma metodami: metodą statystyczną oraz metodą graficzną. Metodę statystyczną wykonano z wykorzystaniem programu STATISTICA 10. Do nowego arkusza programu zaimportowano współrzędne kartezjańskie (X,Y), z wygenerowanych plików tekstowych, dla dziewięciu plastrów wyodrębnionych w programie Cyclone 7.3. Ryc. 2. Parametru przekroju Dla każdego z nich wykonano wykres rozrzutu kwantyli (wartości X względem Y) z dopasowaniem NKWW, określeniem współczynnika korelacji, równania regresji, z pasem regresji o poziomie ufności 97%. W przypadku kwantylowych wykresów rozrzutu, wykreślane 440

5 Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych w monitorowaniu... są kwantyle jednej zmiennej w funkcji kwantyli drugiej zmiennej w celu oceny symetrii rozkładów empirycznych dwóch zmiennych. Jeśli punkty danych wypadają na linii regresji, wówczas możemy wysnuć wniosek, że dane dwie zmienne podlegają temu samemu rozkładowi. Uzyskane w ten sposób proste regresji dla każdego z przypadków prezentowały statystyczną realizację geometrii przekroju, w każdym z dziewięciu pól testowych. Metoda graficzna wyznaczenia przekrojów przeprowadzona została w programie Microstation V8i firmy Bentley. Dla każdego z dziewięciu plastrów zaimportowano współrzędne (X,Y) w układzie kartezjańskim, a na ich podstawie wrysowano linę, która w ocenie badacza najlepiej realizowała przekrój spływu. W wyniku analizy otrzymano dla dziewięciu wyselekcjonowanych plastrów współrzędnych: dziewięć przekrojów poprzecznych spływu zapory wyznaczonych automatyczną metodą statystyczną; oraz dziewięć przekrojów wyznaczonych graficznie przez badacza. Kolejne przekroje dwóch metod reprezentowały te same miejsca dziesięciocentymetrowego pasa spływu zapory. WYNIKI I DYSKUSJA Ryc. 3. Zestawienie przekrojów wyznaczonych Ryc. 4. Zestawienie przekrojów wyznaczonych metodą statystyczną metodą graficzną 441

6 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka Wykresy przedstawiają zbiór przekrojów wyznaczonych metodą statystyczną (ryc.3) oraz graficzną (ryc.4 ). Poprzez nałożenie na siebie 9 linii przekrojów, dla każdej metody uzyskano odwzorowanie rzeczywistego kształtu spływu zapory wodnej, jednocześnie możliwe jest wyznaczenie największych różnić odległości pomiędzy liniami przekrojowymi. Pomiar odległości pomiędzy przekrojami najbardziej oddalonymi zarejestrowano dla asymptot pionowych x = {20, -10, 0, 10}. Rezultaty prezentuje tab. 1: Tab. 1. Różnice odległości pomiędzy przekrojami najbardziej oddalonymi Na podstawie tab.1 można zauważyć, iż największa różnica odległości występuje pomiędzy przekrojem 1 a przekrojem 8, zarówno dla metody graficznej jak i statystycznej. Ponadto na podstawie uzyskanych wartości zauważano, że większe rozproszenie przekrojów występuje w przypadku zastosowania metody graficznej. Średnia różnica odległości pomiędzy przekrojami dla metody graficznej wynosi 0,20 m, a dla metody statystycznej 0,14 m. Uzyskane wartości wskazują na większą unifikację kształtu spływu zapory w przypadku metody statystycznej. WNIOSKI Monitorowanie kształtu dużych obiektów hydrotechnicznych można, z powodzeniem prowadzić na podstawie przekrojów z chmury punktów, pozyskanej metodą naziemnego skaningu laserowego. Omówione w artykule metody stanowią dobre rozwiązania dla tworzenia przekrojów. Metoda statystyczna znajduje zastosowanie 442

7 Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych w monitorowaniu... w przypadku wyznaczania przekrojów dla elementów o nieskomplikowanej geometrii. Poprzez automatyzacje procesu wpasowania linii (krzywej) w fragment chmury punktów wykluczony zostaje subiektywizm badacza. W metodzie graficznej indywidualna ocena badacza stanowi podstawę wyznaczenia linii przekroju, co jest dobrym rozwiązaniem dla elementów konstrukcji budowli o złożonej geometrii. BIBLIOGRAFIA Alba, M., Giussani, A., Roncoroni, F., Scaioni, M., Valgoi, P., Geometric Modelling of a Large Dam by Terrestrial Laser Scanning. In Proc. of FIG Mondial Congress, Germany Guarnieri, A., Pirotti, F., Pontin, M., and A. Vettore, D Surveying for Structural Analysis Applications. In: Proc. of 3 rd IAG/12th FIG Symp., Baden, Austria Ingensand, H Metrological Aspects in Laser-Scanning Technology. In: Proc. of 3rd IAG/12th FIG Symp., Baden, Austria Sieber, SAR interferometry for structural changes detection: Amdemonstration test on a dam. In: Proc.of IGARSS Teskey, B., Bijoy, P., New Instrumentation and Methodology for Deformation Monitoring. In: Proc. of Optical 3D Measurement Techniques, Vol II, Vienna, Austria mgr inż. Pelagia Biłka Uniwersytet Rolniczy w Krakowie WIŚiG, Katedra Geodezji pelagia.bilka@gmail.com mgr inż. Magda Pluta Uniwersytet Rolniczy w Krakowie WIŚiG, Katedra Geodezji Rolnej Katastru i Fotogrametrii studia@magdapluta.pl 443

8 444