Удосконалення методики лазерного сканування тунелів у задачах ВІМ моделювання деформаційних процесів інженерних споруд

Abstract

Мета. Мета статті – розгляд методики вимірювання та оброблення даних 3D лазерного сканування для визна- чення геометричних параметрів лінійних споруд на прикладі тунелю метрополітену. Методика. Роботи викона- но в межах науково-технічного супроводу реконструкції та підсилення елементів тунелю. Важливим елементом є визначення геометричних параметрів та їх аналіз. Розглянуто особливості виконання польових робіт із лазерним сканером, а саме запропоновано інтервали (відстані) між станціями сканування; густину, кількість та способи закріплення сферичних марок, що уможливлюють зшивання сканів із різних станцій. Запропоновано послідов- ність та інструменти оброблення (зшивання) даних у програмному комплексі Trimble Real Works з результатами оцінювання точності оброблення даних, формування поперечних перерізів із подальшим визначенням основних геометричних параметрів з формуванням обмірних креслень Autodesk AutoCad Civil3D та підготовкою даних для 3D-моделювання. Результати. Аналіз звіту з результатів оброблення (зшивання) даних лазерного сканування демонструє точність положення станцій та марок у межах до 2,3 мм, високу точність та деталізацію отриманої хмари точок тунелю та підтверджує правильність рішення щодо вибору методики виконання польових робіт, що надалі дасть змогу моделювати об’єкт із застосуванням ВІМ технологій. Також на цьому етапі запропоновано алгоритм та інструменти в програмних комплексах Trimble Real Works та Autodesk AutoCad Civil3D для визна- чення геометричних параметрів тунелю метрополітену відповідно до нормативних документів. Наукова новиз- на полягає в запропонованій методиці польових робіт та алгоритмі оброблення й подання даних, яка полягає у використанні сферичних марок як рухомої віртуальної геодезичної мережі. Під час виконання польових робіт, враховуючи особливості конструкцій оправи тунелю, відстані між станціями сканування вибирали з кроком 5– 7 м. Для оброблення вибирали точки, розташовані на відстані до 20 м від сканера. Запропоновано схему розта- шування та кількість сферичних марок, що в результаті дало змогу отримати 3D-модель (хмару точок) з високим рівнем деталізації та точності. Практичне значення дослідження полягає у можливості застосування запропо- нованої методики виконання польових та камеральних робіт із визначення геометричних параметрів тунелю метрополітену у виробничих умовах відповідними геодезичними та маркшейдерськими службами. Запропонова- на методика дає змогу істотно зменшити тривалість виконання робіт та, найважливіше, отримати 3D-модель із високим ступенем деталізації та точності. Це дає змогу вести моніторинг за можливими деформаціями підземних тунелів.

Purpose. The purpose of the article is to consider the methodology for measuring and processing 3D laser scanning data to determine the geometric parameters of linear structures using the example of a subway tunnel. Methodology. The work was carried out within the framework of scientific and technical support for the reconstruction and reinforcement of tunnel elements. An important element is the determination of geometric parameters and their analysis. The features of performing field work on working with a laser scanner are considered, such as: the intervals (distances) between scanning stations are proposed; density, number and methods of fixing spherical marks for the possibility of stitching scans from different stations. The procedure and tools for processing data in the Trimble Real Works software are proposed with the results of assessing the accuracy of data processing, forming cross-sections with further determination of the main geometric parameters with the formation of Autodesk AutoCad Civil3D dimensional drawings and preparation of data for 3D modeling. Results. Analysis of the report on the results of processing laser scanning data demonstrates the accuracy of the position of stations and marks within 2.3 mm, high accuracy and detail of the obtained tunnel point cloud and confirms the correctness of the decision regarding the choice of fieldwork methodology, which will subsequently allow modeling the object using BIM technologies. Also, at this stage, an algorithm and tools in the Trimble Real Works and Autodesk AutoCad Civil3D software packages are proposed to determine the geometric parameters of the subway tunnel in accordance with regulatory documents. The scientific novelty are in the proposed fieldwork methodology and data processing and result presentation algorithm. During field work, taking into account the structural features of the tunnel lining, the distances between the scanning stations were located in increments of 5–7 m, points located up to 20 m from the scanner were taken into processing, a scheme and number of spherical marks were proposed, which as a result allowed to obtain a 3D model (point cloud) with a high level of detail and accuracy. The practical significance of the study are in the possibility of applying the proposed methodology for performing field and office work to determine the geometric parameters of the subway tunnel in production conditions by the relevant geodetic and surveying services. This methodology allows to significantly reduce the time for work and, most importantly, to obtain a 3D model with a high degree of detail and accuracy. In this manner, it opens up opportunities for deformations monitoring possible of underground tunnels.