laserowe skanowanie 3D

Skanowanie klifu nad zbiornikiem Jeziorsko

Ostatnie lata, przynoszące ciągły rozwój i większą dostępność technik pomiarowych, umożliwiają obserwacje zjawisk w środowisku na niespotykanym wcześniej poziomie szczegółowości. Naziemne skanowanie laserowe, dzięki swojej mobilności i dokładności, wykorzystywane jest coraz powszechniej w geologii oraz geomorfologii. Najczęściej do dokumentowania procesów przemieszczeń gruntu, osuwisk czy erozji. Za jego pomocą udaje się zaobserwować niedostrzegane do tej pory zjawiska, a przy okazji zapoczątkować szersze rozważania nad zmianami środowiska. Taki właśnie przykład miał miejsce nad zbiornikiem Jeziorsko, gdzie skanowany za pomocą TLS fragment brzegu – 3 metrowej wysokości klif – stał się poligonem badawczym nad współczesnymi procesami mrozowymi w dobie zmian klimatu.

Od 2014 roku dr hab. Halina Kaczmarek (prof. UKW) i dr Sebastian Tyszkowski (IGiPZ) prowadzą tu badania nad erozją klifu sztucznego zbiornika wodnego utworzonego w 1986 roku na rzece Warcie. Do oceny tempa przekształceń zachodzących w obrębie badanego klifu badacze wykorzystywali do tej pory zdjęcia lotnicze, lotniczy skaning laserowy oraz pomiary terenowe odbiornikami GPS. Jednak przełomem w badaniach okazało się wykorzystanie naziemnego skaningu laserowego.

Klif

Początkowo serie pomiarowe TLS wykonywane na zbiorniku Jeziorsko służyły ocenie tempa cofania klifu pod wspływem erozji fal podmywających brzeg zbiornika. Po sezonie zimowym, pozbawionym erozji falowej, u podstawy otaczających zbiornik klifów obserwowano usypane świeże stożki usypiskowe natomiast w obrębie ścian klifów identyfikowano duże zmiany. Były one wynikiem erozji mrozowej. Przejawy wpływu erozji mrozowej na grunt są znane od wielu lat jednak dotychczas brakowało dobrej metody jej ilościowej oceny . Wcześniej w tego typu badaniach wykorzystywano tzw. szpiki erozyjne – pręty wbijane w grunt, jednak z uwagi na naruszenie gruntu, punktowy pomiar oraz zbyt małą dokładność nie dawały one zadowalających rezultatów.

Klif

Powtarzane w kolejnych sezonach skanowania TLS pokazały, że zmiany sezonowe w morfologii klifu będące wynikiem erozji mrozowej mogą dochodzić do ponad 10 cm. Jednoczenie na monitorowanym klifie występuje duże zróżnicowanie efektywności tego procesu, często na niewielkich odległościach.

Dzięki wykorzystaniu TLS wiemy już, że w naszej strefie klimatycznej wietrzenie mrozowe ma dużo większy wpływu na erozję niż dotychczas sądzono. Dzięki TLS wiem już że proces ten jest bardzo zmienny przestrzennie.

Jednoczenie uzyskane wyniki zainspirowały badaczy do oceny wpływu zachodzących zmian klimatu na liczbę przejść temperatury przez punkt 0 stopni. Na badanym na zbiorniku Jeziorsko klifie zamontowano czujniki pomiaru temperatury, które co 10 min rejestrują temperaturę gruntu.

Okazuje się że zmiany klimatu w istotny sposób wpływają i na to zjawisko. Analiza blisko 70 letniego ciągu danych meteorologicznych (1950-2018) z okolicznych stacji IMGW wykazała że liczba tych zdarzeń średnio w badanym obszarze wynosząca 64-71 zmniejsza się o około 2-4 zdarzenia na 10 lat.

Dotychczasowe wyniki badań nad erozją mrozową prowadzonych z wykorzystaniem TLS spotkały się z uznaniem na świecie a wyniki publikowane były w renomowanych czasopismach naukowych: Catena, Sciences of The Total Environment STOTEN.

W październiku 2021 wspólnie z Panią Mają Łukasiewicz z TPI Gdańsk wykonano pierwszą serię pomiarów z wykorzystaniem skanera FARO FOCUS S350+ udostępnionym przez firmę TPI Sp. z o.o.

Urządzenie te charakteryzuje się zasięgiem pomiaru do 350 metrów, szybkością pomiaru rzędu 2 mln pkt/s oraz dokładnością dochodzącą do 1 mm, dzięki czemu można śledzić nawet minimalne zmiany. Oprócz tego skaner ma kompaktowe wymiary oraz niską wagę, co sprawia, że jest to bardzo mobilne urządzenie. Kamera pracująca z wykorzystaniem technologii HDR sprawia, że oprócz zebranej geometrii przechwytywany jest też realny kolor skanowanego obiektu. Są one wykorzystywane od wielu lat w pracach badawczych w niemal każdym zakątku kuli ziemskiej, od pomiarów na stacjach arktycznych po dokumentowanie wykopalisk archeologicznych w krajach afrykańskich.

Ścianę długości 120 m skanowano z 6 stanowisk, co zapewniło unikniecie cieni pomiarowych i pozwoliło uzyskać chmurę punktów o gęstości 6400 pkt/m2 na klifie.

Dzięki wykorzystaniu skanera FARO autorzy spodziewają się jeszcze większej dokładności pomiarów niż do tej pory. Ta sesja pomiarowa jest również szczególna pod względem opomiarowania temperatury, ponieważ na klifie i w jego otoczeniu umieszczono 5 czujników rejestrujących temperaturę gruntu i powietrza co 10 minut.

 

Wyników można spodziewać się po kolejnej serii pomiarowej na wiosnę 2022 roku.

Z perspektywy 20 lat pracy terenowej możemy stwierdzić, że jeszcze nigdy prace te nie były tak efektywne jak przy wykorzystaniu skanowania laserowego.

 

Zastosowanie technologii skanowania laserowego 3D w procesie geodezyjnej obsługi inwestycji

Technologia skanowania laserowego 3D w czasie ostatnich lat rozwija się w szybkim tempie. W chwili obecnej skanowanie laserowe nie jest tylko metodą dokumentowania rzeczywistości w 3D, ale pozwala także na wykorzystanie skanera w procesie geodezyjnej obsługi inwestycyjnej.

Skanowanie laserowe dostarcza w krótkim fragmencie czasu bardzo dużo informacji przestrzennych – chmur pomierzonych punktów skanowanego obiektu w lokalnym lub globalnym układzie współrzędnych. Dodatkowo nowoczesne skanery posiadają wbudowaną kamerę cyfrową, która jest współosiowa z układem dalmierczym urządzenia, co umożliwia pozyskanie oprócz danych pomiarowych, także danych jakościowych, które oferuje nam fotografia cyfrowa.

W praktyce użytkownik, oprócz pomiarów na danych uzyskanych ze skanowania, takich jak: odległość między słupami, powierzchnia ścian, objętość obiektu, może dokonać analizy jakości obiektu jak np. oszacować poziom skorodowania elementów konstrukcyjnych obiektu budowlanego. Dużą zaletą metody skanowania jest tzw. pomiar powierzchniowy, w stosunku do tradycyjnego punktowego pomiaru tachimetrycznego. W krótkim okresie czasu , ponieważ jeden pomiar skanerem trwa około 5 minut, możemy pomierzyć duże powierzchnie.

W świadomości większości użytkowników tej technologii, skaner laserowy jest narzędziem służącym do dokumentowania własnego otoczenia. Jest to naturalnie prawda, natomiast równie trafne jest zastosowanie takiego rozwiązania pomiarowego w pracach inżynierskich podczas procesu obsługi inwestycji w terenie.

Przykładem takiego zastosowania jest wykorzystanie skanera laserowego podczas montażu paneli ściennych w obiektach budowlanych typu hala. W przypadku tego typu robót, problemem jest mała ilość czasu na pomiar płaskości ścian obiektu, duże skomplikowanie samego pomiaru oraz małe zakresy tolerancji montażu płyt panelowych.

Pomiar płaskości ścian hali przed montażem paneli ściennych

Cel: pomiar ścian hali w celu dokładnego wyznaczenia płaskości ścian w wybranych punktach.

 

Obiekt budowlany – hala produkcyjna

Montaż płyt ściennych jest pracą dosyć precyzyjną i wymaga od konstrukcji hali utrzymania określonych parametrów. Firma instalacyjna zleciła wymierzenie powierzchni w celu kontroli miejsc montażowych. Do poprawnego zamontowania elementów ściany konieczne jest zachowanie płaskości konstrukcji budynku w tejże jego części. W opisywanym przypadku, jak to często bywa na placu budowy, czas był bardzo ważnym aspektem zlecenia. Geodeta zdecydował się skorzystanie z technologii skanowania 3D.

Na początku zadania zastabilizowano punkty referencyjne na obiekcie, które pomierzono tachimetrem w układzie lokalnym oraz zeskanowano w technologii 3D cały obiekt wraz z nadaniem skanom georeferencji.

Użyto następujących narzędzi:
  • Skanera laserowego Faro Focus X330
  • Oprogramowania do zaawansowanej obróbki skanów Gexcel Reconstructor 3D

rys. Skan ściany wraz z punktami referencyjnymi

Po dokonaniu podstawowych czynności związanych z obróbką danych 3D, takich jak: czyszczenie szumu pomiarowego, łączenie chmur punktów, nakładanie koloru na chmury punktów, dokonano pomiaru płaskości ściany wraz z utworzeniem mapy odchyłek płaskości względem punktów referencyjnych.

rys. Mapa płaskości wybranej ściany

Mając dane zeskanowane można było opracować projekt poprawek montażowych w punktach siatki, realizowanej w odległości co 1m. Na podstawie obliczeń poprawek montażowych, geodeta obsługujący inwestycje mógł wytyczyć tachimetrem punkty, w których konieczne było zrealizowanie poprawek w ścianie aby być pewnym, że podczas montażu płyt elewacyjnych, nic nie stanie na przeszkodzie i panele będą mogły być zainstalowane zgodnie z tolerancją oraz w założonym czasie.
Do montażu płyt wykorzystywany jest dźwig, którego wynajem jest sporym wydatkiem, a do tego podczas montażu takich płyt plac budowy jest wyłączony z ruchu dla innych ekip instalatorskich. W związku z tym metoda skanowania laserowego oprócz szybkości w opracowaniu, pozwoliła na spore oszczędności inwestorskie.

rys. Mapa poprawek montażowych paneli elewacyjnych

Technologia skanowania laserowego 3D jest nową technologią oraz uniwersalnym rozwiązaniem pomiarowym. Z pewnością znajdzie swoje zastosowanie podczas dokumentowania otaczającej rzeczywistości, także na etapie projektowania, ale jak także powyższy przykład pokazał, można z powodzeniem ją wykorzystać w zagadnieniach inżynierskich, spotykanych podczas obsługi obiektu budowlanego.

Autorzy:
Michał Olchawa,
Karol Derejczyk