Gruszczynski, Rajewska przemieszczenia konstrukcji przepraw

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
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 t0 oraz t1). Podczas odtwarzania
geometrii, model powierzchni S0, zbliżony do rzeczywistego kształtu obiektu S, jest
tworzony ze zbioru punktów pomiarowych P0, 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
P0 w każdym przypadku jest zmienną losową. Oczywiście, wraz ze wzrostem gęstości
próbkowania, powierzchnia modelu S0 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 M0 oraz M1 wykonanych na podstawie
skanowania tegoż obiektu w dwóch epokach t0 i t1, przy założeniu niezmienności
położenia skanera, może prowadzić do określenia odkształceń obiektu przy czym:
M 0 - M1 = 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 20 - 25 minut). W związku z powyższym wyklucza się
obserwacje
obiektów
szybkozmiennych
z
zastosowaniem
techniki
skanowania
2
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
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.
możliwość
Konieczność
wykonania
krótkotrwałego
więcej
niż
obciążania
jednego
skanu
jednej
półkoleiny
podczas
ograniczyła
działania
czynnika
deformującego.
II. Pomiar skanerem przęsła w położeniu najwyższym (p0) i najniższym (p1) 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 wzajemne j.
III. W celu określenia stabilności układu, w jakim pomierzone zostały chmury
punktów wykonane w czasie t0 oraz t1, pozyskane zostały również chmury punktów
przedstawiające tarcze HDS.
4
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 P0 i P1, 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
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
p0 [opracowanie własne].
Po wykonaniu dwóch pierwszych etapów wynikiem pracy były dwa modele
fragmentów przęsła: M0 – w położeniu nominalnym i M1 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 M0 i M1. 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
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:
𝑚𝑑𝑥 = √𝑚𝑝0
𝑗
𝑚𝑑𝑦 = √𝑚𝑝0
𝑗
𝑚𝑑𝑧 𝑖 = √𝑚𝑝0
𝑗
𝑖
𝑖
2
+ 𝑚𝑝1 𝑗 2 + 𝑚𝑑𝑥 2
2
+ 𝑚𝑝1 𝑗 2 + 𝑚𝑑𝑦 2
2
+ 𝑚𝑝1 𝑗 2 + 𝑚𝑑𝑧 2
gdzie:
𝑚𝑑𝑥 , 𝑚𝑑𝑦 , 𝑚𝑑𝑦 - średni błąd pomiaru i-tej wartości przemieszczenia odpowiednio
𝑖
𝑖
𝑖
w kierunku osi X, osi Y i osi Z układu Up związanego z przęsłem mostowym ;
𝑚𝑝0 - błąd średni wpasowania j-tej płaszczyzny w chmurę punktów P0;
𝑗
𝑚𝑝1 𝑗 - błąd średni wpasowania j-tej płaszczyzny w chmurę punktów P1;
𝑚𝑑𝑥 , 𝑚𝑑𝑦 , 𝑚𝑑𝑧 - 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
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 10 19 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
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.
Elementy zintegrowanego systemu
Niwelator kodowy
Czujnik
Odbiornik GPS
Leica Sprinter 250 indukcyjny
RTK Trible
Nazwa techniki
pomiarowej
Średnia częstotliwość
akwizycji podczas
pomiaru
Szacowana dokładność
pojedynczego pomiaru
Średnia wartość
przemieszczenia
względnego [mm]
Skanowanie
Laserowe
0.5 Hz
5 Hz
10 Hz
-
0.6 mm
1 mm
1cm
-
78.1 ± 0.1
78.3 ± 0.1
78.0 ± 0.5
77.6 ± 0.8
5. 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
dan ych
ze skaningu nie może zostać zastosowana w przypadku, gdy konieczna jest szybka reakcja
na
zaistniałe
monitorującymi
krytyczne
wartości
skanowanie
przemieszczeń.
laserowe
uzyskuje
Nad
systemami
przewagę
dzięki
kontrolnoteoretycznie
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
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 2012.
[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, 2006.
[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 1989.
10