Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ и систематизация задач геодезического контроля. определение основных положений, принципов, структуры и элементов системы геодезического контроля инженерных сооружений 10
1.1 Основные положения, структура и содержание геодезического контроля инженерных сооружений 10
1.1.1 Систематизация структуры и содержания геодезического контроля инженерных сооружений 12
1.1.2 Описание содержания геодезического контроля 15
1.1.3 Объекты геодезического контроля 17
1.1.4 Виды контроля, стандарты, параметры 18
1.1.5 Методы и средства геодезического контроля 21
1.1.6 Требования к проведению геодезического контроля 23
1.2 Современное состояние метода лазерного сканирования, области применения и преимущества 26
Выводы 30
2 Общие сведения о наземных лазерных сканерах и анализ конструкции основных измерительных блоков, выявление факторов, снижающих точность из мерений. разработка методики оценки точности и проведение экспериментальных исследований 32
2.1 Принцип действия наземных лазерных сканеров Leica Geosystems Scan Station СЮ и RIEGL VZ 400 32
2.2 Анализ работы измерительных блоков наземных лазерных сканеров 36
2.2.1 Блок лазерного дальномера 36
2.2.2 Блок измерения угловых величин 41
2.3 Анализ факторов, влияющих на точность результатов измерений наземного лазерного сканера 46
2.4 Разработка методики исследования точности измерений наземным лазерным сканером 58
2.4.1 Общие требования к разработке методики исследования точности измерений наземным лазерным сканером 58
2.4.2 Исследование погрешностей измерений наземным лазерным сканером на нормальный закон распределения 61
2.4.3 Исследование зависимости стабильности работы наземного лазерного сканера от температуры прогрева 63
2.4.4 Исследование точности измерения углов наземным лазерным сканером 69
2.4.5 Исследование точности лазерного дальномера наземного лазерного сканера 78
2.4.6 Исследование влияния угла падения лазерного луча на точность измерения расстояний 82
2.4.7 Исследование влияния отражательной способности материалов на точность измерения расстояний 86
2.4.8 Исследование точности определения геометрических параметров инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканера 94
Выводы 100
3 Разработка методики проведения полевых и камеральных работ с использованием наземного лазерного сканера для решения задач геодезического контроля и апробация на реальных объектах 101
3.1 Методика проведения полевых работ по геодезическому контролю инженерных объектов с применением наземного лазерного
3.2 Методика проведения работ по обработке данных наземного лазерного сканирования для решения задачи геодезического контроля инженерных объектов 106
3.3 Практическое применение наземного лазерного сканирования для решения задачи геодезического контроля инженерных объектов 114
3.3.1 Определение геометрических параметров и деформации несущих конструкций Байтового моста «Факел» 114
3.3.2 Определение деформации пролетного строения «Оловозавод-ского» моста при его надвижке на временные опоры 121
3.3.3 Определение крена и деформации дымовой трубы Иркутской ТЭЦ 126
3.3.4 Определение геометрических параметров фундамента турбо агрегата Омской ТЭЦ 128
Выводы 130
Заключение 131
Список использованных источников 134
- Систематизация структуры и содержания геодезического контроля инженерных сооружений
- Анализ факторов, влияющих на точность результатов измерений наземного лазерного сканера
- Исследование точности определения геометрических параметров инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканера
- Определение геометрических параметров и деформации несущих конструкций Байтового моста «Факел»
Систематизация структуры и содержания геодезического контроля инженерных сооружений
Исходя из вышеизложенных принципов, построение СГК должно осуществляться с позиций системного подхода. Основываясь на системном подходе, СГК технического состояния конструкций зданий и сооружений промышленного предприятия определяют, как и систему технического контроля в машиностроении [42], через функцию FrK, вход ХГК, выход Угк, структуру 5ГК и связь с окружающей средой НГК, т. е.
Структура включает совокупность элементов, свойства элементов и взаимосвязь элементов. Элементами ГК являются объекты контроля и их геометрические параметры, методы, средства измерений, исполнитель и документация. Результатами взаимодействия элементов СГК является технологический процесс геодезического контроля.
Входами СГК служат здания и сооружения промышленного предприятия и управляющая документация в виде технических заданий на проектирование, проектная и исполнительная документация на строительство и эксплуатацию. Сюда следует отнести также современную нормативную документацию по диагностике, техническому и геодезическому контролю конструкций.
Выходами является документация, отражающая техническое состояние объектов по геометрическому признаку. Эту информацию используют для управления технической эксплуатацией зданий, сооружений и оборудования предприятия [40]. К окружающей среде отнесены внешние и внутренние воздействия и нагрузки на здания и сооружения, возникающие в процессе эксплуатации и приводящие к изменению геометрических параметров конструкций зданий и сооружений; система организации и управления технической эксплуатацией и качество технологической документации на технический и геодезический контроли.
Функция СГК состоит в предотвращении, на основе проверки геометрических параметров, брака в определении фактического технического состояния конструкций зданий, сооружений и технологического оборудования.
Система геодезического контроля характеризуется различными свойствами: точностью, стоимостью, достоверностью, полнотой и др. Все свойства СГК можно разделить на связанные со свойствами будущего объекта (достоверность определения параметров, характеризующих техническое состояние объектов) и с экономическими показателями (стоимостью и трудоемкостью контроля) [73].
Если при проектировании системы ГК основное внимание уделяется показателям достоверности, то могут возникнуть значительные экономические потери, связанные с использованием высокоточных средств контроля, высококвалифицированных исполнителей контроля. Если же в качестве критерия эффективности СГК выбирают стоимость контроля, то отойдут на второй план факторы, связанные с точностью контроля и качеством определения технического состояния.
Следовательно, вид и характер критерия эффективности определяются при поиске таких свойств СГК, которые обеспечивают ее оптимальность. Так как показатели достоверности и стоимости контроля разнородны, при поиске наилучших свойств системы при ее проектировании на конкретном предприятии используют показатели, содержащие ограничительные условия. К таким условиям относятся методы, средства, исполнитель контроля [42].
- Общая схема понятий структурной схемы геодезического контроля технического состояния конструкций зданий и сооружений промышленных предприятий, градация и правила выбора элементов контроля
Вид контроля — классификационная группировка контроля по определенному признаку. К основным видам геодезического контроля относят: контроль качества изготовления крупногабаритной продукции строительства и машиностроения; контроль технологического процесса строительства зданий и сооружений и монтажа крупногабаритного технологического оборудования; контроль средств технического оснащения зданий и сооружений; контроль процессов технической эксплуатации зданий, сооружений и технологического оборудования и их оснований и др. Основными характеристиками контроля являются достоверность (надежность), полнота, периодичность, объем, точность, стоимость [108, 41].
Достоверность контроля - показатель степени объективного отображения результатов контроля действительного технического состояния объекта. Достоверность контроля может быть выражена числом неправильно принятых и неправильно забракованных конструкций (в процентах). Достоверность контроля в большой степени зависит от точности измерений параметров, фактических и допустимых величин отклонений и деформаций конструкций [42].
Полнота контроля - отношение количества контролируемых признаков объекта к общему числу контролируемых признаков. Полнота контроля значительно влияет на его стоимость и объективность. При контроле технических состояний сооружений число контролируемых признаков довольно значительное. Поэтому необходима разработка градаций таких признаков в зависимости от технико-экономической значимости объектов, что позволит оптимизировать процессы контроля.
Периодичность контроля - время между двумя последовательно проводимыми процессами контроля. Периодичность контроля в значительной степени зависит от условий эксплуатации объекта, влияет на выбор средств контроля (степень автоматизации) и стоимость контроля.
Объем контроля — количество объектов и совокупность контролируемых признаков, устанавливаемых для проведения контроля. Объем контроля оказывает существенное влияние на стоимость контроля.
Точность контроля - свойство контроля, определяющее близость его результатов к истинному значению контролируемого признака. Точность контроля является одним из определяющих факторов достоверности контроля и определяющим фактором для выбора геодезических методов и средств измерений.
Стоимость контроля - стоимость проведения одного процесса контроля. Стоимость контроля зависит от всех перечисленных характеристик контроля и часто определяет качество контроля.
Анализ факторов, влияющих на точность результатов измерений наземного лазерного сканера
Исходя из общего анализа измерительных блоков НЛС, можно сказать, что на точность определения координат точек лазерных отражений влияют следующие основные факторы [9]:
- характеристики инструмента;
- характеристики объекта измерения;
- окружающая среда, в которой производятся измерения.
Для учета указанных факторов и их количественной оценки существует два основных подхода. Сущность первого состоит в раздельном оценивании влияния каждого фактора [5]. Второй подход основан на комплексном учете воздействия всех факторов.
С помощью первого подхода возможно устранить основную (большую) часть случайных и систематических ошибок из результатов измерения НЛС. Данный способ отличается наибольшей простотой в расчетах и реализации, однако требует разработки или адаптации существующих методик выполнения тестовых измерений применительно к НЛС.
В комплексном подходе используют различные полиноминальные модели расчета, которые позволяют устранить все типы ошибок. Данный подход является наиболее универсальным, однако отличается сложностью процесса расчета, требующим высокой квалификации исполнителя работ не только в области геодезических дисциплин, но и таких, как физика, оптика, математика и статистика.
Совокупность влияющих факторов, можно представить на рисунке 11 [104].
Воздействие окружающей среды проявляется двумя основными факторами, влияющими на точность измерения НЛС: климатическое воздействие -температура, влажность, давление и т. д.; внешнее воздействие - механическое, электромагнитное, радиационное, пыль, туман и т. д. [17, 72].
В большей степени вышеперечисленные факторы влияют на точность измерения расстояний и в меньшей - на измерения угловых величин, так как применяемый в НЛС в качестве источника излучения лазер, в первую очередь, сильно подвержен влиянию атмосферных условий и особенно температурному фактору.
Ввиду конструктивных и физических возможностей любой лазерный излучатель требует определенной стабильной рабочей температуры действия, поэтому производители НЛС снабжают лазеры системой климатического контроля, позволяющей поддерживать рабочую температуру внутри прибора [104]. Очевидно, что с момента первого включения лазерного сканера необходимо выждать время, в процессе которого произойдет прогрев блока лазерного дальномера до рабочей температуры. Данная процедура особенно важна при выполнении работ, связанных с достижением наивысшей точности измерений НЛС, однако, никаких рекомендаций со стороны производителей данных приборов не поступает, отсюда возникает актуальность определения зависимости стабильности работы прибора от температуры блока лазерного дальномера.
Также необходимо отметить влияние атмосферы, особенно ее приземного слоя, на распространение лазерного луча в пространстве. В этом слое происходят значительные изменения плотности воздуха и значительные перемещения воздушных масс, что приводит к уменьшению скорости распространения света и изменению направления излучения (явление рефракции), а также к уменьшению интенсивности сигнала лазерного отражения [76, 104].
В результате рефракции световых лучей дальномерный блок измеряет оптическую длину волны, которая превышает по длине геометрическую. Кроме этого, атмосферные влияния вызывают следующие изменения параметров излучения [104]: - затухание (ослабление интенсивности), обусловлено поглощением и рассеянием энергии волны в атмосфере;
- изменение параметров волны, обусловленное турбулентностью атмосферного воздуха.
Затухание колебаний электромагнитной волны, вызванное атмосферой, особенно характерно для оптического диапазона, который используется во всех моделях НЛС. Данный вид влияния атмосферы, в первую очередь, приводит к уменьшению дальности действия прибора и ухудшению точности определения расстояний.
К изменению параметров электромагнитной волны под влиянием турбулентности относятся флуктуации амплитуды, частоты, поляризации, направления распространения волны и угла расходимости лазерного луча. Влияние флуктуации выражается в увеличении спектральной плотности мощности шумов на выходе приемника, вследствие чего ухудшается отношение «сигнал/шум» [104].
Значительную роль в измерении дистанции блоком лазерного дальномера играет определение скорости света. Основным фактором, влияющим на погрешность определения скорости света, является значительная погрешность определения среднеинтегральной величины показателя преломления электромагнитных волн на отрезке между НЛС и точкой лазерного отражения объекта. Ошибка показателя преломления зависит от дисперсионной составляющей и от ошибки определения метеопараметров вдоль распространения лазерного луча. Использование в качестве источника сигнала узкоспектральных лазеров позволяет пренебречь дисперсионной ошибкой [104].
Скорость распространения электромагнитных волн в среде определяется по известной формуле [2]: aгде с - скорость света в вакууме; п— показатель преломления воздуха, который зависит от физических свойств среды.
Показатель преломления п для конкретных условий среды представляют функцией плотности воздуха, для определения которой необходимы показатели давления, температуры и влажности воздуха.
Проблеме решения учета влияния атмосферных условий на результат све-тодальномеров в геодезии посвящено большое количество работ, кроме того, необходимо отметить, что в исследуемых моделях НЛС уже предусмотрен алгоритм расчета поправочных коэффициентов на основе введенных характеристик температуры, давления и влажности воздуха на момент проведения съемки [104].
К влиянию окружающей среды на точность измерений НЛС можно отнести такие факторы как влияние разного рода излучений, а также пыли и песка.
Такие влияния внешней среды, как солнечная радиация, электромагнитные паразитные наводки и др., можно отнести к мало влияющим на точность измерения НЛС факторам.
Вторым по значимости фактором после окружающей среды является влияние метрологических свойств измеряемого объекта на точность наземного лазерного сканирования и величина расходимости лазерного луча. К ним можно отнести такие основные влияния, как форма и отражательная способность измеряемого объекта, а также диаметр пятна лазерного луча. Фактор влияния свойств измеряемого объекта проявляется только в погрешности измерения расстояний.
При измерении расстояний импульсным методом форма выходящего лазерного сигнала соответствует кривой Гаусса с определенной шириной, для определения расстояния от НЛС до объекта съемки и обратно измеряется время AT - распространение сигнала между максимумами двух функций, соответствующих выходному и входному (отраженному) электромагнитному сигналу (рисунок 12) [104].
Исследование точности определения геометрических параметров инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканера
Обработка данных лазерного сканирования подразумевает использование совокупности множества измерений с применением различных способов для определения конечного результата, отражающего какую-либо геометрическую характеристику сканируемого инженерного объекта. Отсюда возникает задача оценки точности определения геометрических характеристик инженерных объектов для применяемых способов.
Для исследования точности определения геометрических характеристик инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования предлагается следующая методика. Сущность методики заключается в оценке точности методики выполнения измерений (МВИ) на основе разработанной реализации концепции «виртуальной контрольной точки». Предлагается выполнить оценку повторяемости результата определения линейной величины на основе данных НЛС, при различных расстояниях, а также выполнить сравнение полученных измерений с их истинным значением. Для определения истинного значения измерения расстояния была использована эталонная компараторная установка, оснащенная лазерным интерферометром фирмы RENISHAW ML 10, обеспечивающая измерение расстояний с погрешностью не более 0,7 мкм. Расположена эта установка в лаборатории при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА), где поддерживается стабильный микроклимат и имеет длину 25 м. В концепцию «виртуальной контрольной точки» входит три способа фиксирования трехмерных координат одной точки на основе совокупности измерений:
а) определение трехмерных координат точки с использованием специальной светоотражающей марки (автоматический способ);
б) определение трехмерных координат точки с использованием геометрического примитива сфера (полуавтоматический способ);
в) определение трехмерных координат точки геометрического центра объекта «плоскость», полученных путем вычисления среднего значения по каждой оси координат генеральной совокупности измерений, описывающих поверхность объекта «плоскость» (интерактивный способ).
Проведение эксперимента разделилось на два этапа, первый этап - выполнение измерений на компараторной установке в лабораторных условиях на расстоянии от 20 до 25 м от НЛС, второй этап - выполнение полевых измерений на расстоянии от 50 до 100 м.
Для выполнения первого этапа эксперимента использовался НЛС Leica СЮ и RIEGL VZ400, а также изготовился тест-объект № 3, который был сформирован из трех различных элементов, позволяющих реализовать описанную выше концепцию «виртуальной контрольной точки». На подвижной каретке компараторной установки жестко закреплялись следующие элементы (рисунок 43):
- специальные светоотражающие марки (М 1, 2, 3) размером (75 х 75) мм, в количестве 3 шт.;
- геометрический примитив «сфера», (№ 1L, № 2R) диаметром 75 мм, 2 шт.;
- геометрический примитив «плоскость», размером (400 х 400) мм, 1 шт.
После 20-минутного прогрева (см. 2.4.3) на расстоянии 25 м (расстояние обусловлено длиной компараторной скамьи и относится к недостаткам данной методики) производился комплекс сканирования области расположения тест-объекта № 3 при трех разрешениях (1x1) мм, (4 х 4) мм, (8 х 8) мм, затем по специальным направляющим выполнялся параллельный сдвиг каретки и повторялся комплекс сканирования. Величина сдвига каретки фиксировалась при помощи интерферометра. Рисунок 43 - Внешний вид тест-объекта № 3 Всего для каждого НЛС выполнено 32 подхода сканирования тест-объекта № 3 при четырех сдвигах каретки (положение А-В, В-С, C-D, А-С) с шагом 1; 2; 2; 5 м (рисунок 44). Общее число измерений с учетом комплекса трех разрешений сканирования составило 96 сканов.
Обработка результатов измерений производилась в ПО Cyclone и начиналась с определения координат «виртуальной контрольной точки». Для специальных светоотражающих марок (элемент № 1) применялся инструмент автоматической идентификации марки, описанный в 2.4.2. Для элемента № 2 применялся инструмент аппроксимации геометрического примитива сфера «Rigion Grow», ПО Cyclone. Для обработки данных элемента № 3 производилось первоначальное интерактивное удаление грубых и не принадлежащих элементу измерений, после чего выполнялось вычисление математического ожидания совокупности определенных трехмерных координат по формуле (18), для каждой оси XYZ. Далее процедура повторялась для измерений, полученных для каждого сдвига каретки. На основе определенных трехмерных координат «виртуальной контрольной точки» для каждого элемента и сдвига вычислялось расстояние по формуле (13), после чего измеренные расстояния сравнивалась с истинным расстоянием с помощью формулы (20) и вычислялась средняя квадратиче-ская погрешность с помощью формулы (21). Результаты обработки измерений представлены в таблицах 19 и 20.
Определение геометрических параметров и деформации несущих конструкций Байтового моста «Факел»
Для решения поставленной задачи использовался наземный лазерный сканер RIEGL LMS-Z420i, паспортные технические характеристики которого представлены в таблице 22. Общий вид конструкции моста изображен на рисунке 54.
Всего выполнено 5 станций установок НЛС на расстоянии от объекта не более 100 м, с которых выполнено 38 сканов со средним разрешением, не превышающим шаг в 10 мм в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Расположение станций установок НЛС выполняли таким образом, чтобы выбранные контрольные элементы, характеризующие геометрические параметры одной из несущих частей конструкции моста, попадали в область сканирования с одной станции [45]. Схема размещения станций представлена в приложении В.
Обработка результатов измерения НЛС производилась в ПО Cyclone, после объединения в единую точечную модель (рисунок 55) производилось сегментирование участков данных, описывающих выбранные контрольные элементы, а именно ребра жесткости конструкции пролетного строения моста (рисунок 56) [37].
Благодаря панорамному сканированию, при обработке результатов в камеральных условиях появилась возможность выбора необходимого количества контрольных элементов.
Внешний вид контрольного элемента пролетного строения Для определения трехмерных координат контрольной точки использовался способ координирования «виртуальной точки» на основе пересечения аппроксимированных геометрических примитивов «плоскость», при помощи инструмента «Region Grow» в ПО Cyclone, средняя квадратическая погрешность вписывания плоскости по всем контрольным участкам составила 1,5 мм (рисунок 57).
Схема определения трехмерных координат «виртуальной точки»
ребра жесткости пролетного строения моста На основе полученных трехмерных координат контрольных точек были построены графики вертикальной деформации и определены параметры отклонения несущей балки моста от замыкающей прямой линии (приложение А).
Использование результатов лазерного сканирования также позволило восстановить утерянные данные о габаритах основных элементов конструкции моста, оценить углы наклона пилонов (рисунок 58) и определить величину провисания вантов (рисунки 59 и 60) [98].
Контроль точности полученных результатов осуществлялся двумя способами: по формуле (25) и составил СКП - 5 мм; а также путем сравнения с результатами проведенных контрольных замеров при помощи электронного тахеометра, точность определения координат которого превышает точность используемого НЛС. Была получена схема расположения контрольных точек (рисунок 61) [106]. Результаты оценки точности представлены в таблице 23.
Средняя квадратическая погрешность, м 0,006 0,006 0,004
Использование НЛС позволило в данной работе получить информацию о геометрических параметрах несущих конструкций и произвести оценку вертикальной деформации пролетного строения балки моста, а также провисания вант и наклона пилонов.
Всего выполнено 3 станции установок НЛС на расстоянии от объекта не более 100 м, с которых произведено 14 сканов со средним разрешением, не превышающим шаг 5 мм в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Сканирование контрольных участков производилось после каждого шага надвижки, в момент технологических перерывов для подготовки гидравлического оборудования для следующего шага надвижки, среднее время сканирования левого и правого контрольного участка составило 10 минут. Ввиду того, что контрольный элемент конструкции подвергался принудительному перемещению, а также предупреждая возможное качение измеряемой конструкции, для контроля точности результатов были определены две статичные точки, располагающиеся на бетонных основаниях опор № 6 и 7. На протяжении всего цикла измерений с шагом в 1 час производилось сканирование этих точек с максимальным разрешением (1x1) мм, по 10 приемов на каждую. Также в дальнейшем данные точки могут служить для переноса высотной отметки на следующий пролет опор моста, к примеру, с применением геометрического высокоточного нивелирования. Таким образом, будет восстановлена система высот для следующего этапа надвижки.
Станцию установки НЛС выполняли таким образом, чтобы выбранные контрольные элементы, характеризующие геометрические параметры одной из несущих частей конструкции моста, попадали в область сканирования с одной станции. Схема размещений станции НЛС представлена на рисунке 63.
Обработка результатов измерения НЛС производилась в ПО Cyclone, после объединения в единую точечную модель (рисунок 64) производилось сегментирование участков данных, описывающих выбранные контрольные элементы, а именно три плоскости продольных и поперечных ребер жесткости конструкции пролетного строения моста (рисунок 65) [97].
Похожие диссертации на Разработка методики геодезического контроля инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования
