Skanowanie laserowe w pomiarach elementów infrastruktury transportu szynowego

Transkrypt

1 Skanowanie laserowe w pomiarach elementów infrastruktury transportu szynowego Każda z instytucji zarządzających drogami szynowymi zobligowana jest stosownymi instrukcjami branżowymi i wytycznymi technicznymi do okresowej kontroli stanu obiektów położonych na jej obszarze. W ramach kontroli elementów infrastruktury dróg szynowych ocenie podlega zarówno nawierzchnia, urządzenia techniczno eksploatacyjne (rozjazdy, skrzyżowania, przejazdy itp.), podtorze jak i obiekty inżynierskie. Te ostatnie mają m.in. wpływ na skrajnię budowli, jaka musi być zachowana ze względu na bezpieczeństwo prowadzenia ruchu po drogach szynowych. Wszystkie wymienione elementy podlegają regularnym pomiarom cyklicznym z zastosowaniem metod geodezyjnych lub diagnostycznych, gwarantującym uzyskanie wysokich dokładności ich realizacji. Współczesne geodezyjne techniki pomiarowe, stosowane na obszarach kolejowych wykorzystują m.in.: odbiorniki satelitarne GPS, niwelatory kodowe, tachymetry elektroniczne (w tym tachymetry skanujące) i skanery laserowe. Instrumenty skanujące, pozwalają uzyskać gęste modele punktowe pokrywające powierzchnię badanego obiektu. Zaletą techniki skanowania laserowego jest możliwość wykonania pomiarów nawet najbardziej złożonych geometrycznie i geomorfologicznie obiektów, np.: tunelu, mostu, budynku, urządzeń przemysłowych, sieci uzbrojenia terenu czy skrajni budowli. Uzyskana z pomiarów chmura punktów poddawana jest dalszej obróbce w celu określenia geometrii obiektów i analizy ich położenia w odniesieniu do norm zawartych w projektach czy instrukcjach branżowych. Ma to bezpośredni związek z ostatecznym określeniem geometrii obiektów ich przemieszczenia czy deformacji. Analiza zmian relacji geometrycznych między obiektami stanowi podstawę do określenia czynników i zagrożeń wpływających na mierzone obiekty. Co kryje się pod pojęciem techniki skanowania laserowego, jaki ma cel i co dzięki niej można uzyskać? Jakie informacje można uzyskać poprzez zastosowanie techniki skanowania laserowego i co dzięki temu oszczędzić? O tym właśnie napiszemy w tym krótkim artykule. W tej publikacji staramy się przybliżyć technikę i terminologię bezdotykowej metody pomiarowej, przedstawiając i opisując najbardziej rozpowszechniony system, potwierdzony przykładem pomiarów przeprowadzonych w tunelu kolejowym w Polsce. Aktualnie w inżynierii lądowej coraz bardziej powszechne stają się systemy nawigacyjne. Ich skuteczność rośnie w chwili doposażenia je w aktualne systemy informacji przestrzennej. Rozwój tych systemów otwiera ogromne możliwości aplikacji w wielu dziedzinach życia. Są one również wykorzystywane w automatyzacji systemów pomiarowych w zakresie ciągłego monitoringu elementów infrastruktury transportu szynowego. Jedną z najnowszych technologii w dziedzinie pozyskiwania danych jest skanowanie laserowe. Skanowanie 3D pozwala na szybkie i dokładne przeniesienie do komputera trójwymiarowej geometrii obiektów fizycznych. Wynikiem tego jest kompletny cyfrowy model, który może być później edytowany i przetwarzany przez programy CAD/CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing), programy do prototypowania, wizualizacji czy animacji. Zastosowanie specjalistycznych narzędzi graficznych, opartych na zaawansowanych algorytmach obliczeniowych, pozwala na zamianę modeli punktowych na czytelne postacie geometryczne. One z kolei oddają w pełni charakter i formę inwentaryzowanych budowli, ułatwiając w ten sposób prawidłową interpretację danych oraz zjawisk towarzyszących im i oddziałujących na nie. Skanowanie laserowe polega na wyznaczeniu współrzędnych punktów definiujących geometrię inwentaryzowanej powierzchni na podstawie mierzonych kątów: poziomego i pionowego (względem kierunków referencyjnych) oraz odległości. 1

2 Przedstawiając zagadnienia skaningu laserowego należy uwzględnić i wyjaśnić pojęcie inżynierii odwrotnej (Reverse Engineering - RE). Zajmuje się ona wszelkimi metodami umożliwiającymi wprowadzenie rzeczywistego obiektu do wirtualnej rzeczywistości. W technologii RE najpierw mamy do czynienia z obiektem rzeczywistym, a dopiero później przy użyciu skanerów 3D otrzymywany jest komputerowy model wirtualny, czyli odwrotnie w porównaniu do tradycyjnego procesu projektowania. Rozwijające się technologie XXI wieku w zakresie tworzenia modeli 3D to zarówno skanery jak i tachymetry z opcją skanowania wyposażone w moduł GPS. Tachymetry skanujące i skanery laserowe dostarczają dużą liczbę precyzyjnych danych w formie chmur punktów w skali rzeczywistej 1:1 i co najważniejsze w czasie rzeczywistym. Ze względu na umiejscowienie skanera laserowego w przestrzeni geograficznej i dobór odpowiedniej technologii pomiarów, skaning laserowy dzieli się na trzy zasadnicze grupy: 1) lotniczy skaning laserowy ALS (Airborne Laser Scanning), 2) satelitarny skaning laserowy SLS (Satellite Laser Scanning); 3) naziemny skaning laserowy TLS (Terrestrial Laser Scanning). Naziemny skaning laserowy TLS zapewnia niespotykaną do tej pory szybkość w kompletnym, dokładnym i bezpiecznym pomiarze. Technologia ta charakteryzuje się pozyskiwaniem bardzo dużej ilość danych, które poddawane są procesowi filtracji i orientacji w przestrzeni. W zależności od charakteru obiektu określana jest ilość danych, które będą przetwarzane. Natomiast niewykorzystane chmury punktów lub ich wybrane obszary mogą być archiwizowane i użyte w późniejszym czasie do innych zastosowań, bez potrzeby powtarzania pomiarów. Technologia naziemnego skanowania laserowego jest już dość powszechnie stosowana w krajach wysoko rozwiniętych. W Polsce wdrażana jest nieco wolniej od kilku lat. Technologia ta znajduje zastosowanie nie tylko w geodezji. Z powodzeniem można ją stosować w wielu dziedzinach. W policji przy dokumentowaniu miejsca popełnienia przestępstwa czy w zakresie oględzin i dokumentowania wypadków drogowych. Straż pożarna może wykorzystać tą technologię przy dokumentowaniu miejsca pożaru albo katastrofy budowlanej. Jednostki samorządów terytorialnych prowadząc promocję i reklamę turystyczną swych regionów, korzystają z tej technologii tworząc modele 3D najciekawszych obiektów turystycznych. Również poszczególne służby publiczne mogą korzystać z modeli 3D uzupełnionych odpowiednimi atrybutami tematycznymi. W marcu br. pracownicy Katedry Geodezji Inżynieryjnej i Budownictwa z Akademii Górniczo - Hutniczej w Krakowie przeprowadzili pomiary naziemnym skanerem laserowym (rys. 1) tunelu kolejowego i jego bezpośredniego sąsiedztwa w pobliżu stacji kolejowej Tunel w powiecie miechowskim, województwie małopolskim. Pomiary przeprowadzono w torze nr 1 w tunelu AUGUST w godz. nocnych 22:30-2:30 (rys. 2). Tunel ten, przebiega pod wzniesieniem Biała Góra (416 m n.p.m.), wchodzącym w skład Wyżyny Miechowskiej. Ze względów bezpieczeństwa i zapewnienia wymaganych dokładności pomiarów tor został zamknięty dla ruchu. Oprócz przeprowadzonych pomiarów z zastosowaniem skanera laserowego zostały również wykonane pomiary tachymetryczne. Dzięki nim określono przestrzenne położenie wszystkich tarcz celowniczych (rys. 2). One z kolei umożliwiły połączenie i zorientowanie względem siebie wszystkich chmur punktów (skanów) pozyskanych ze skanera. 2

3 W pomiarach tunelu wykorzystano skaner laserowy 3D IMAGER 5006 Z+F firmy Zoller + Fröhlich GmbH (rys. 1). Wśród dostępnych na rynku skanerów jest to jeden z najefektywniej pracujących instrumentów. Maksymalna prędkość skanowania tym urządzeniem dochodzi do punktów na sekundę. Skaner Z+F należy do grupy instrumentów fazowych. Oznacza to, że charakteryzuje się niewielkim zasięgiem, ale wysoką dokładnością pomiaru. Maksymalny zasięg pracy to 79 m i wynika on z parametrów działania modułu dalmierczego (długości fali i jej częstotliwości), a dokładność liniowa na 50 m wynosi 1 mm. Rys. 1. Skaner laserowy 3D Z+F IMAGER 5006 podczas pracy. a) b) Rys. 2. Baza pomiarowa zlokalizowana w tunelu kolejowym AUGUST i jego okolicy, a) przed wyjściem z tunelu (z lewej tarcza celownicza na statywie), b) wewnątrz tunelu (z prawej tachymetr elektroniczny). 3

4 O jakości produktów i zaawansowaniu technologicznym firmy Zoller + Fröhlich GmbH, świadczy fakt, że skaner laserowy IMAGER 5006 sprzedawany jest on jako tzw. OEM (Original Equipment Manufacturer - Oryginalny Producent Sprzętu) dla dwóch szwajcarskich firm. Pierwsza z nich to Amberg, która oferuje zaawansowane systemy pomiarowe dla kolei szynowych. Kolejna to Leica potęga na rynku geodezyjnego sprzętu pomiarowego. Technologia skaningu laserowego dostarcza olbrzymich ilości danych o objętości wyrażonej w GB, a nawet TB pamięci komputerów. Dane te niosą ze sobą zupełnie nową jakość informacji precyzję i brak subiektywizmu. Na uwagę zasługuje fakt, że zebrane przez skaner laserowy chmury punktów mogą być pokolorowane, a informacje o barwach pochodzą ze zdjęcia cyfrowego wykonanego ze stanowiska skanera. Pomiary skanerem laserowym umożliwiły szybką i sprawną inwentaryzację obiektu inżynieryjnego. To z kolei pozwoliło na weryfikację parametrów istniejącej tam skrajni budowli. Zastosowanie tej techniki pomiarowej umożliwia również wykrywanie niewidocznych gołym okiem pęknięć i zacieków na obiekcie. Warto dodać, że bezdotykowa technika pomiarowa nie wymaga wyłączenia napięcia w sieci trakcyjnej. Możliwe jest także określenie skrajni pionowej czy zawieszenia przewodu jezdnego sieci trakcyjnej w stosunku do górnej powierzchni główki szyny (zrzutowanej do osi toru). Naziemny skaning laserowy jest najczęściej wykorzystywany w następujących zagadnieniach: inwentaryzacja obiektów przemysłowych i infrastruktury technicznej, inwentaryzacja zabytków, monitoring robót związanych z infrastrukturą transportową, pomiar rzeźby terenu i mas ziemnych, dokumentacja stanu rzeczywistego budynków, monitoring obiektów podziemnych: jaskinie, tunele itp. dokumentacja miejsca popełnienia zbrodni, wypadków drogowych, w przemyśle filmowym. Zaletą przedstawionych rozwiązań jest przede wszystkim szybkość i dokładność wykonania pomiarów dużych obiektów inżynierskich czy długich tras komunikacyjnych. Podstawowe korzyści z zastosowania skanowania 3D to przede wszystkim: szybkie zebranie danych nawet skomplikowanych geometrycznie obiektów, zwiększenie wydajności przy tworzeniu obiektów przestrzennych, skróceniu cyklu produkcyjnego, podniesienie jakości produktu, odzwierciedlenie zmian w czasie w geometrii danego obiektu. W transporcie szynowym jedną z podstawowych zalet technologii skaningu laserowego jest możliwość uzyskania parametrów skrajni budowli w dowolnie wybranym przekroju linii kolejowej Na zakończenie warto dodać, że na liniach kolejowych krajów Europy Zachodniej stosuje się już zaawansowaną technologię w pomiarach infrastruktury. Ostatecznie przekłada się ona na zapewnienie bezpiecznego i komfortowego podróżowania. 4

5 mgr inż. Arkadiusz Kampczyk Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydz. Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska Zespół Głównego Inżyniera ds. Nawierzchni i Podtorza PKP PLK S.A. dr inż. Michał Strach Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydz. Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska Katedra Geodezji Inżynieryjnej i Budownictwa 5