wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych w

Pelagia BIŁKA, Magda PLUTA
Dr inż. Bartosz MITKA
EPISTEME
18/2013, t. 3
s. 437-443
ISSN 1895-2241
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
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 numeSZD[OFQVOLUØXLPOUSPMOZDIoTUBMF[BNBSLPXBOZDIOBQ’BT[D[ZdžOJF
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
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 760 000 m3.
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.$QDOL]RZDQ\IUDJPHQW]DSRU\
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
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
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
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
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., 2006.
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, 2006. 3D Surveying for Structural Analysis Applications. In: Proc. of 3rd IAG/12th FIG
Symp., Baden, Austria
Ingensand, H. 2006. Metrological Aspects in Laser-Scanning Technology.
In: Proc. of 3rd IAG/12th FIG Symp., Baden, Austria
Sieber, 1999. SAR interferometry for structural changes detection: Amdemonstration test on a dam. In: Proc.of IGARSS
Teskey, B., Bijoy, P., 2005. 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
e-mail: [email protected]
mgr inż. Magda Pluta
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie
WIŚiG, Katedra Geodezji Rolnej
Katastru i Fotogrametrii
e-mail: [email protected]
443
444