Разработка методики геодезического контроля инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования

Иванов, Андрей Васильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методики геодезического контроля инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования
ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики геодезического контроля инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования"

На правах рукописи

Иванов Андрей Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 НОЯ 2012

Новосибирск - 2012

005054126

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Середович Владимир Адольфович.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Каленицкий Анатолий Иванович, доктор технический наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», профессор кафедры астрономии и гравиметрии;

Щербаков Владимир Васильевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой инженерной геодезии.

ООО «Новосибирский инженерный центр», г. Новосибирск.

Защита состоится 16 ноября 2012 г. в 16.00 час. на заседании диссертационного совета Д212.251.02 при ФГБОУ ВПО «СГГА» по адресу: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА». Автореферат разослан 12 октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Мазуров Б.Т.

Изд. лиц. ЛР X! 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 28.09.2012. Формат 60x84 1/16. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Редакционно-издательскин отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630103, Новосибирск, ул. Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современные темпы строительства и эксплуатации инженерных сооружений, а также внедряемые новые методы трехмерного проектирования требуют внедрения новейших технологий и методик выполнения инженерно-геодезических работ, отвечающих концепции определения достоверной и оперативной трехмерной геометрической информации.

Одним из современных и перспективных средств измерений на сегодняшний день является наземное лазерное сканирование (НДС). Использование наземного лазерного сканирования в производстве за счет высокой степени автоматизации и бесконтактного неразрушающего метода измерений дает возможность решения инженерно-геодезических задач на качественно новом уровне, а также значительного снижения влияния человеческого фактора на результаты измерений и повышения уровня безопасности при выполнении работ.

Исследование особенностей наземного лазерного сканирования позволит определить пригодность применения этого современного технического средства измерений для решения различных инженерно-геодезических задач и обосновать методики выполнения полевых и камеральных работ с учетом особенностей изученных инженерных объектов и их местоположения.

Таким образом, необходимость в более широком использовании HJ1C при решении задач геодезического контроля, проектировании и строительстве инженерных объектов, а также исследовании точности HJ1C, является актуальной задачей. Однако такая постановка задачи требует разработки и исследования методики применения HJIC при геодезическом контроле геометрических характеристик различных инженерных объектов.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в развитие технологии HJIC в геодезической отрасли внесли зарубежные ученые: Behler W., Gruending L., Milev I., Norton J., Riegl J., Шульц P. В., а также отечественные ученые: Журкин И. Г., Середович В. А., Середович А. В., Комиссаров А. В. и др.

На сегодняшний день использование наземных лазерных сканеров для решения инженерных геодезических задач сдерживается отсутствием нормативно-технической документации, регламентирующей методики проведения полевых и камеральных работ. Отрицательное влияние оказывает также некачественная техническая документация, поставляемая производителем в комплекте с НЛС, несущая, как правило, нечеткую информацию о погрешности производимых измерений данным прибором, практически полное отсутствие информации об исследовании точности НЛС и методике их применения.

Цель исследования. Целью данной работы является анализ точности лазерных сканеров, определение возможности их применения для решения задач геодезического контроля, разработка методики проведения полевых и камеральных работ для осуществления геодезического контроля инженерных объектов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

а) выполнение анализа инженерно-геодезических работ и систематизация задач геодезического контроля;

б) выполнение анализа современного состояния использования НЛС для решения задач геодезического контроля;

в) выполнение анализа конструкции измерительных блоков НЛС;

г) выполнение анализа основных факторов, влияющих на точность измерений НЛС;

д) разработка методических основ и технологических решений экспериментальной оценки точности измерений НЛС;

е) выполнение экспериментальных исследований точности угловых и линейных измерений НЛС;

ж) выполнение экспериментальных исследований оценки зависимости альбедо и точности измерений;

и) выполнение экспериментальных исследований оценки точности определения геометрических характеристик инженерных объектов на основе данных НЛС;

к) разработка методики проведения полевых и камеральных работ с использованием НЛС для решения задач геодезического контроля;

л) проведение работ по практической апробации качества определения геометрических характеристик инженерных объектов при решении задач геодезического контроля.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются наземные лазерные сканирующие системы Leica Scanstation СЮ и Riegl VZ400, предметом - особенности производимых ими измерительных параметров, методические, технологические решения измерений и применения, методика реализации задач геодезического контроля.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические и практические исследования выполнялись на базе научной и математической основы классической геодезии, математической статистики и теории математической обработки геодезических измерений.

При выполнении исследований и практической апробации полученных результатов были использованы эталонные геометрические примитивы (плоскость, цилиндр, сфера), а также компараторная установка с лазерным эталонным интерферометром RENISHAWML10, обеспечивающая измерение расстояний с погрешностью до 0,7 мкм.

На защиту выносятся:

а) методика оценки влияния свойств объекта съемки на точность измерения НДС;

б) методика оценки точности угловых и линейных измерений НЛС;

в) методика и технологические решения применения НЛС для решения задач геодезического контроля.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

а) усовершенствована методика оценки точности наземных лазерных сканеров Leica Scanstation СЮ и Rieg VZ400;

б) впервые разработана и прошла производственную апробацию методика применения НЛС при геодезическом контроле инженерных объектов.

ных исследований разработана и внедрена в производство методика проведения полевых и камеральных работ применительно к особенностям изученных объектов исследований, которая в дальнейшем может служить дополнением к существующим нормативным документам, регламентирующим проведение работ с целью геодезического контроля инженерных объектов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует пунктам: 5 — «Методы, технические средства и технологии геодезического обеспечения строительно-монтажных, кадастровых, землеустроительных, проектно-изыскательских, маркшейдерских, геолого-разведочных и лесоустроительных работ; освоения шельфа; монтажа, юстировки и эксплуатации технологического оборудования»; 6 — «Геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации крупных инженерных комплексов, в том числе гидротехнических сооружений, атомных и тепловых электростанций, промышленных предприятий, линейных сооружений. Геодезический контроль ведения технического надзора при строительстве и эксплуатации нефтегазодобывающих комплексов», паспорта научной специальности 25.00.32 - «Геодезия».

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь», (г. Новосибирск) в 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.; на международных инновационных форумах «ИНТЕРРА», (г. Новосибирск) в 2009, 2010, 2011 гг., на международных конференциях FIG в Усть-Каменогорске в 2010 г.; Улан-Баторе в 2011 г. и Алматы 2012 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 научных статьях, из них 2 - в изданиях, входящих в Перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 150 страниц печатного текста, включает введение, три раздела, заключение, список использованных источников и приложения.

Диссертация и автореферат диссертации оформлен в соответствии с СТО СГГА 012-2011. б

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и реализации результатов работы, ее структура, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел.«Анализ и систематизация задач геодезического контроля. Определение основных положений, принципов, структуры и элементов системы геодезического контроля инженерных сооружений».

Отмечается, что геодезический контроль технических состояний зданий и сооружений промышленных предприятий, являющийся частью технического контроля, должен базироваться на основных принципах и понятиях системы технического контроля, изложенных в машиностроении, строительстве и других сферах деятельности с учетом специфики решаемых задач, объектов и условий контроля.

«Наиболее важными факторами проектирования системы контроля являются комплексный подход к решению проблемы, а также применение принципов системности, стандартизации, оптимальности, динамичности, преемственности, адаптации и автоматизации» (Жуков Б.Н. Руководство по геодезическому контролю сооружений и оборудования промышленных предприятий при их эксплуатации. - Новосибирск: СГГА, 2004. - 376 е.).

Комплексный подход предусматривает максимальное удовлетворение интересов всех организаций и предприятий, использующих результаты геодезического контроля (ГК) технических состояний: проектировщиков, строителей, эксплуатационников зданий и сооружений, а также учет всех основных факторов, влияющих на оценку технического состояния объектов.

Вид контроля - классификационная группировка контроля по определенному признаку с применением геодезических методов (геодезический контроль). К основным видам геодезического контроля относятся: 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 геодезического контроля являются: достоверность (надежность), полнота, периодичность, объем, точность, стоимость.

Объектами геодезического контроля на промышленных предприятиях служат здания, сооружения и крупногабаритное оборудование.

Геометрические параметры - это линейные, угловые величины, характеризующие деформационное состояние конструкций сооружений и оборудования и их взаимное положение. К ним относятся: осадки и горизонтальные смещения конструкций, отклонения от вертикали, прямолинейность, соосность, прогибы и т. д.

На сегодняшний день в Российской Федерации решение основных задач геодезического контроля сопряжено с использованием методик и методов, разработанных и внедренных в государственные стандарты в период с 1977 по 2000 гг., соответственно принципы и средства измерений с использованием данных методов основываются на устаревших технологиях. Отсюда возникает проблема применения данных методик при использовании современных средств измерений, кроме того устаревшие методики не отвечают требованиям и задачам современной концепции строительной и промышленной индустрии.

Одним из современных средств измерений в геодезии являются лазерные сканирующие системы (ЛСС), в частности, один из их подвидов - наземное лазерное сканирование (НЛС). Сущность наземного лазерного сканирования заключается в измерении с высокой скоростью расстояний от сканера до точек лазерных отражений от объекта и регистрации соответствующих направлений. Такой принцип действия позволяет говорить о способе непрерывной (тотальной) съемки, что, в свою очередь, характеризует данный метод сбора геопространственных данных, как имеющий высокую степень автоматизации, полноты, объема информации и,как следствие, высокую достоверность.

Перспектива применения НЛС для геодезического контроля позволяет говорить о значительном повышении качества выполняемых работ за счет таких

очевидных факторов как принцип непрерывной съемки, автоматизация измерений, высокая скорость измерений и простота обращения.

Однако, несмотря на то, что в конструкции наземного лазерного сканера применяются известные в современной геодезии технологии и способы, данный прибор является принципиально новым устройством, производящим специфическую пространственную информацию в виде облака точек. Поэтому применение его в настоящий момент в той или иной инженерной области требует значительных исследований, классификации задач, решаемых с помощью НЛС, и разработки регламентирующей документации и методических указаний при выполнении полевых и камеральных работ.

Второй раздел. «Общие сведения о наземных лазерных сканерах и анализ конструкции основных измерительных блоков, выявление факторов, снижающих точность измеренный. Разработка методики оценки точности и проведение экспериментальных исследований».

Анализ продаж ряда наиболее популярных моделей НЛС в РФ, представленных на рисунке 1, наглядно отображает определенную тенденцию к приобретению НЛС определенных марок.

Продажи НЛО за 2011-2012гг

Л...........................2_________________а.........................4_______________________,5...........................6.

Рисунок 1 - Гистограмма тенденции продаж НЛС за 2011-2012 гг.

Исходя из растущей популярности НЛС среди производственных геодезических компаний, можно спрогнозировать высокую потребность в наличии информации об исследованиях точности, методиках измерений и обработки данных.

Из рисунка 1 видно, что в последние два года активно ведутся продажи определенных моделей наземных лазерных сканеров двух фирм производителей, а именно: а) Leica Geosystems (Швейцария) - модель HJIC ScanStation СЮ; б) Riegl (Австрия) - модель НЛС Riegl VZ 400.

Данные модели являются модификацией наземных лазерных сканеров последнего поколения, основными отличиями которых являются меньший вес, более высокая скорость измерений и автономная работа, не требующая дополнительного периферийного оборудования, автоматизация отдельных процессов регистрации сканов.

Результатом работы НЛС является растровое изображение - скан, значения пикселей которого представляют собой элементы вектора со следующими компонентами: измеренное расстояние, интенсивность отраженного сигнала и RGB составляющая, характеризующая реальный цвет точки. Другой формой представления результатов лазерного сканирования является массив данных пространственных координат (ЛГ, У, Z) точек лазерного отражения (ТЛО).

Анализ измерительных блоков НЛС позволил понять их сущность и определить их слабые места. Основными измерительными блоками в НЛС являются блок измерения угловых величин и блок лазерного дальномера. Также, благодаря систематизации обобщающей информации о методах и способах работы этих блоков, появилась возможность выявить наиболее подверженный внешним влияниям блок измерений. Им является блок лазерного дальномера, погрешность измерения mD которого в общем виде можно записать как:

mD = а + Ъ ■ D • КГ6, (1)

где а — постоянная составляющая, равная сумме погрешностей, не зависящих от величины измеряемого расстояния;

b - коэффициент, учитывающий влияние погрешностей; D - измеряемое расстояние, мм.

В постоянную составляющую а входят инструментальные погрешности, вызванные несовершенством конструкции светодальномера, а именно:

- ограниченная разрешающая способность фазо- и частотно-измерительных частот;

- нестабильность питающего напряжения;

- паразитное наложение как оптических, так и электрических сигналов в приемо-предающей системе светодальномера, приводящее к возникновению циклических погрешностей к изменениям постоянной поправки;

- погрешности горизонтирования и центрирования прибора и др.

Коэффициент ¿включает:

- погрешность определения скорости распространения электромагнитной энергии в воздухе, которая обусловлена неточным учетом длины волны излучения, температуры, давления и влажности воздуха;

- погрешность определения частоты генератора;

- влияние отражательной способности материалов.

Учесть степень влияния коэффициента Ъ в реальных условиях использования НЛС затруднительно.

В итоге можно констатировать, что распространение лазерного импульса блока светодальномера НЛС в пространстве является очень сложным процессом, зависящим от множества влияющих факторов: метеорологических характеристик окружающей среды, формы, цвета и структуры объекта съемки и т. д.

В общем виде функция входного сигнала может быть описана известной формулой:

/™(0 = С с [Ль» - ^т^) КотрОР, «ЖV, и)] а<р * йу + Ч(£), (2)

где /вых(0 - функция выходного сигнала;

В (<р, и) - функция, описывающая изменение расстояния от НЛС до ТЛО; ^отр (<Р»и) - функция, характеризующая коэффициент отражения сигнала лазера от различных ТЛО;

и) - функция, описывающая распределение сигнала в пространстве, то есть величину расходимости лазерного луча;

!](€) — функция, которая характеризует интерференцию (шумы).

Используя формулу (2), можно выполнить приближенное моделирование общего процесса распространения лазерного луча НЛС и изучить влияние некоторых характерных факторов. Однако в реальных условиях сделать однозначные выводы о точности измерений НЛС того или иного объекта не предоставляется возможным из-за невозможности учета всех влияющих факторов.

Исходя из анализа факторов, влияющих на точность измерений НЛС и процессов их возникновения, а также учитывая сложность процесса математического моделирования лазерного сканирования конкретных инженерных объектов, предлагается выполнить теоретическую разработку методики экспериментальной оценки точности НЛС, произвести на основе данной методики практические исследования с целью выявления закономерностей влияния того или иного фактора на точность получаемых результатов измерений НЛС.

При разработке методики оценки точности измерений НЛС, ввиду конструктивной схожести НЛС с электронными тахеометрами, целесообразно взять за основу утвержденный государственный стандарт МИ 2798-2003 «Методика поверки электронного тахеометра», а также руководствоваться следующими сопутствующими стандартами.

1 ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями и методы обработки.

2 ГОСТ Р 8.563-96. Методики выполнения измерений.

3 ГОСТ Р ИСО 5725-2002. Точность (правильность и прецезионность) методов и результатов измерений.

4 РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

Разрабатываемая методика исследования точности НЛС должна включать

следующие операции (таблица 1).

Для исследования стабильности работы НЛС предлагается методика, сущность которой заключается в многократном измерении контрольной точки и фиксировании времени каждого измерения с момента его первого включения после длительного хранения (более 10 часов). В качестве контрольной точки

предлагается использовать определяемые в автоматическом режиме координаты статично закрепленной специальной светоотражающей марки (Leica HDS3x3, Riegltargets) в системе координат НЛС, установленной на рекомендованном (при использовании подобных марок - от 20 до 25 м) производителем расстоянии от прибора.

Таблица 1 - Операции исследования

Наименование операции Результат

Подготовка и внешний осмотр Определение готовности НЛС

Оценка стабильности работы измерительных блоков НЛС Выявление времени,необходимого для прогрева измерительных блоков НЛС и оценка повторяемости результата

Определение погрешности измерений горизонтальных и вертикальных углов Определение количественной оценки погрешности измерения

Определение погрешности измерении расстояний Определение количественной оценки погрешности измерения

Оценка влияния метрических свойств объекта съемки на точность измерения расстояний Выявление зависимости влияющего фактора и точности измерения

Проверка гипотезы принадлежности результатов измерения НЛС нормальному распределению Оценка принадлежности получаемых измерений нормальному закону распределения случайной ошибки

Далее выполнялось построение графика, на котором по оси абсцисс откладывается номер г'-го измерения, характеризующего его время работы НЛС. По оси ординат указывается отклонение измеренной величины от среднего значения. Для полученных координат марок величина отклонения вычисляется по формулам:

у71 „тч

Кср = ¿.=1«, (

п 4 '

ДД; = Д!,зм - ДСР, (4)

где й["зм - измеренная величина при г'-ом сканировании;

Д/?1 -отклонение г-го измерения от среднего;

Дср - среднее значение, вычисленное по формуле 3.

Исследование стабильности работы НДС позволило получить следующие результаты, представленные в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 - Средняя квадратическая погрешность определения центра марки для НЛС Leica ScanStation СЮ

Средняя квадратическая погреш координат центра ма ность определения рки, мм

Этап Y Z 3 D

1 0,125 0,583 0,272 0,655

2 0,130 0,538 0,294 0,627

Таблица 3 - Средняя квадратическая погрешность определения центра марки для НЛС Иеё1Уг 400

Средняя квадратическая погреш координат центра ма ность определения рки, мм

Этап X Y Z 3 D

1 0,371 1,272 0,185 1,338

2 0,436 1,350 0,270 1,434

Определены графики зависимости погрешности измерения от времени прогрева (рисунки 2 и 3).

Рисунок 2 - График зависимости погрешности определения пространственного положения марки от времени для НЛС Leica ScanStation СЮ

положения марки от времени для НЛС Riegl 400

Анализ графиков повторяемости результатов измерений двух лазерных сканеров показал, что для достижения максимальной точности при измерениях необходимо выполнить прогрев НЛС в течение 15-20 минут.

Также получен график зависимости погрешности измерения расстояний от угла падения лазерного луча на отражательную поверхность сканируемого объекта при различных разрешениях сканирования (рисунок 4).

Угол отклонения поверхности, *

Рисунок 4 - График зависимости погрешности определения расстояний блоком лазерного дальномера в зависимости от угла падения лазерного луча

Анализ полученных результатов показывает значительное ухудшение точности измерения расстояний блоком лазерного дальномера НЛС, после разворота отражательной поверхности сканируемого объекта относительно лазерного луча более чем на 50°.

Рисунок 5 - Гистограмма, отражающая оценку результатов измерения расстояний НЛС

Кроме того, в ходе проведения экспериментов подтверждена гипотеза принадлежности случайных погрешностей данных НЛС закону нормального распределения (рисунок 5).

На основе полученных в ходе исследования результатов разработана и апробирована методикаоцен-ки точности определения геометрических характеристик инженерных объектов на основе данных НЛС.

Сущность данной методики заключается в сравнении измеренной величины, полученной при помощи моделирования на основе множества данных НЛС и истинной. За проверяемую величину было решено взять степень удаленности тест-объектов друг от друга, то есть расстояние между ними, так как основным источником погрешностей измерений в НЛС считается лазерный дальномер.

Погрешность измерения расстояний вычислялась по формуле:

Д5 = £ИЗМ _ 5ист; (5)

где 5ИЗМ— измеренное расстояние на основе данных НЛС;

5ист-измеренное расстояние с помощью эталонного интерферометра,

Д5—погрешность измерения расстояний.

Тест-объекг сформировали из трех различных объектов таким образом, чтобы можно было применить несколько вариантов различного моделирования для получения геометрических центров различных по типу геометрических объектов, жестко закрепленных на подвижной каретке компараторного устройства (рисунок 6). Состав тест-объекта включил в себя следующие типы фигур: а) геометрический объект «марка "плоскость"» размером 400 х 400 мм (1 шт.); б) гео-

метрический объект «марка "сфера"» (№ 1L, № 2R) диаметром 75 мм (2 шт.); в) специальные светоотражающие марки (М1, 2, 3) размером 75 х 75 мм (3 шт.).

Далее эксперимент проводился на компараторе СГГА в специально подготовленном помещении, где поддерживается стабильный микроклимат в пределах нормальных атмосферных условий для проведения метрологических испытаний. После 20-минутного «прогрева», лазерный сканер НЛС жестко закреплялся вдоль направляющей каретки компаратора, общая длина которого составляет 25 м, и был статичен на протяжении всего эксперимента. Затем производился замер области расположения тест-объекта при трех различных разрешениях сканирования, а именно - с шагом в 1 мм, 4 мм и 8 мм, соответственно. Затем каретка сдвигалась и процесс повторялся. Всего выполнено 32 подхода сканирования тест-объекта при четырех сдвигах каретки (положение А-В, В-С, C-D, А-С) с шагом 1 м, 2 м, 2 м и 5 м (рисунок 7).

Тест-ОБьект Тест-0Бш<т Тесг-ОБьект Тест-оБьект

НЛС положение D положение С положение В положение А

ц----*----f—r--j---т---farj

20 н. 2 м 2 и. In,

Рисунок 7 - Схема расположения НЛС и четырех положений тест-объекта

Обработка полученных данных НЛС Leica ScanStation СЮ показала следующие результаты (таблица 4).

По результатам приведенным в таблице 4 можно сделать вывод, что максимальная точность определения расстояний достигнута при использовании марки по типу «плоскость».

Рисунок 6 - Вид тест-объекта и расположение марок

Результаты эксперимента

Тип Имя Положение каретки Общее

А-В В-С С-Э А-С

Количество подходов Количество подходов Количество подходов Количество подходов

10 7 10 5

Разрешение, мм Разрешение, мм Разрешение, мм Разрешение, мм

I 1 4 1 8 1 | 4 | 8 1 | 4 | 8 1 | 4 | 8

Средняя квадратическая погрешность, мм

с. 1 МІ 0,294 0,517 0,466 0,829 - 0,334 0,512 - 0,408 0,242 - 0,461

М2 0,247 0,618 - 0,460 0,741 0,319 0,543 - 0,116 0,387

МЗ 0,195 0,710 - 0,394 0,418 - 0,372 0,508 - 0,341 0,315 -

Сфера 0,719 0,565 0,816 0,385 0,850 0,760 0,517 0,866 1,130 0,336 1,137 0,770 0,790

2Я 0,297 0,862 0,680 0,948 0,729 1,130 0,477 1,061 1,288 0,463 0,540 0,459

Плоскость РЬ 0,215 0,500 0,491 0,189 0,200 0,430 0,187 0,390 0,400 0,127 0,171 0,188 0,319

Анализ полученных результатов данного эксперимента показал, что точность определения геометрических характеристик инженерных объектов на основе разработанной методики может быть выше точности единичного измерения, заявленной производителями НЛС.

Третий раздел. «Разработка методики проведения полевых и камеральных работ с использованием НЛС для решения задач геодезического контроля и апробация ее на реальных объектах». На основе проведенных исследований даны рекомендации и разработана методика проведения полевых и камеральных работ с целью решения задачи геодезического контроля. Сущность данной методики заключается в использовании характерных элементов сканируемого объекта, близких к геометрически правильным фигурам (плоскость, цилиндр, сфера). К разработанной методике сформулированы требования проведения полевого этапа лазерного сканирования, главными из которых являются: использование данных только одной точки установки НЛС, ориентированных относительно лазерного луча не более чем на 50°, и использование в качестве контрольных точек элементов конструкции сканируемого объекта, окрашенных в светлые тона.

Данная методика апробирована при выполнении надвижки пролетного строения Оловозаводского моста через реку Обь в г. Новосибирске в сотрудничестве со СГУПС, с целью определения его деформации (рисунок 8).

Рисунок 8 - Общая схема установки станции НЛС для выполнения сканирования пролетного строения моста

Для эксперимента был выбран участок конструкции пролетного строения с тремя характерным геометрическим элементами «плоскость». На данном участке производилось сканирование с плотностью по вертикали - 10 мм, по горизонтали - 5 мм. Данные характеристики выбраны с учетом минимизации затрат времени сканирования и технологического процесса и предоставления оперативной информации.

После этого в автоматическом режиме, на основе данных лазерного сканирования аппроксимировался векторный объект «плоскость». Средняя квадрати-ческая погрешность вписывания плоскости составила 1,5 мм.

Далее, после моделирования пересечения трех плоскостей, получали контрольную точку, а затем процесс повторялся при следующей надвижке (рисунок 9).

Рисунок 9 - Определение координат точки пресечения трех плоскостей

По контрольным точкам выполнялось построение графика деформации пролетного строения моста в процессе его надвижки (рисунок 10).

график деформации по высоте

С'

9 10 11 12 13 14

-100

-500

место 'ИКОДЛ конструкции на опору

Рисунок 10 - Результат оценки деформации пролетного строения моста

Использование НЛС при надвижке пролетного строения моста и разработанной методики позволило практически в реальном времени оценить деформацию конструкции. Из графика видно, что деформация пролетного строения моста проходила равномерно практически на всем протяжении надвижки. Получены данные о разных деформациях левого и правого краев пролетного строения.

Результаты исследований показали, что внедрение технологии наземного лазерного сканирования для решения задач геодезического контроля в Российской Федерации сильно сдерживается отсутствием нормативно-технической документации, регламентирующей методику проведения полевых и камеральных работ, а уровень существующей нормативной документации не отвечает современному уровню развития геодезической науки и практики.

В ходе работы над анализом устройства НЛС выявлен наиболее подверженный внешним влияниям измерительный блок, влияющий на точность измерения. Им является блок лазерного дальномера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные исследования показали следующее:

- оценка стабильности работы лазерного дальномера свидетельствует о том, что для получения наивысшей точности измерений необходим прогрев блока лазерного дальномера в течение 15-20 минут;

- оценка точности измерения дистанции в зависимости от угла падения лазерного луча указывает, что максимальный угол разворота поверхности сканируемого объекта может достигать 50°;

- зависимость погрешности измерения расстояния от коэффициента отражательной способности (альбедо), показало увеличение точности на окрашенных в светлые тона поверхностях сканируемого объекта;

- оценка точности измерений по внутренней сходимости выявила высокую точность определения угловых величин;

- оценка полученныхизмерений НЛС подтвердила гипотезу принадлежности данных к нормальному закону распределения вероятности случайных погрешностей измерения;

- оценка точности определения геометрических характеристик инженерных объектов на основе разработанной методики обработки данных показала погрешность ниже 1 мм.

На основе результатов выполненных исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1 Современные лазерные сканеры в полной мере могут быть применены при выполнении высокоточных инженерно-геодезических работ, при геодезическом контроле качества строительных конструкций и наблюдении за их деформациями.

2 Разработанные методики применения НЛС и полученные в работе реальные точности сканеров позволят существенно расширить область их использования.

3 Впервые разработана и реализована методика экспериментальной оценки точности измерений НЛС.

4 Впервые выполнены исследования влияния отражательной способности объекта на точность измерений HJIC.

5 Разработан метод формирования контролируемых точек металлических конструкций (пересечение плоскостей и линий) при использовании HJ1C.

6 Получены новые данные о влиянии нагрева сканера при работе на точность измерений.

7 Предлагаемая методика реализована при строительстве уникального объекта — строительстве моста через р. Обь в г. Новосибирске.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1 Уставич, Г. А. Комбинированный способ создания инженерно-топографических планов масштаба 1 : 500 промышленных территорий и отдельных промплощадок [Текст] / Г. А. Уставич, В. А. Середович, Я. Г. Пошивайло, A.B. Середович, А. В. Иванов // Геодезия и картография. - 2009. - № 1. - С. 31-37.

2 Бешр, Ашраф А. А. Методика определения деформации цилиндрических резервуаров при помощи проектирования на касательную плоскость [Текст] / Ашраф А. А. Бешр, А. В. Иванов // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -2009. - № 5. - С. 37-44.

3 Комиссаров, А. В. Построение трехмерных моделей электроподстанций но данным наземного лазерного сканирования [Текст] / А. В Комиссаров, А. В. Середович, Т. А. Широкова, О. А. Дементьева, А. В. Иванов, В. А. Середович // GeoinfoCAD-Europe 2008. Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости : сб. матер. ХП Междунар. науч.-практ. конф. 25 мая-5 июня 2008 г., Италия. - Новосибирск, СГГА, 2008. - С. 73-78.

4 Комиссаров, А. В. Применение наземного лазерного сканирования для паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог [Текст] // А. В. Комиссаров, А. В. Середович, Т. А. Широкова, А. В. Иванов, В. А. Середович //

GeoinfoCAD-Europe 2008. Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости : сб. матер. XII Междунар. науч.-практ. конф. 25 мая-5 июня 2008 г., Италия. - Новосибирск, СГГА, 2008. - С. 81-85.

5 Середович, В. A. Use of 3D Laser Scanning Technology for Surveying of the FAKEL Cabel-Stayed Bridge [Текст] / В. А. Середович, А. В. Середович, А. В. Комиссаров, А. В. Иванов // Proceedings of the FIG WG 6.3 Workshop on Currernt Challenges of Engineering Surveys. 23-24 April 2008, Novosibirsk, Russian Federation. PP. 68-75.

6 Середович, B.A. Опыт применения наземного лазерного сканирования для определения объемов зерна на складах аграрных предприятий [Текст] / В. А. Середович, А. В. Середович, А. В. Иванов, А. В. Радченко // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 1, ч. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия : сб. материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009» (20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 134-136.

7 Середович, В. А. Применение наземного лазерного сканирования для съемки разрезов и подсчета запасов руды [Текст] / В. А. Середович, А. В. Середович, А. В. Иванов, А. К. Карпов // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 1, ч. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия : сб. материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009» (20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск : СГГА, 2009.-С. 141-143.

8 Середович, В. А. Определение крена и деформаций дымовых труб средствами наземного лазерного сканирования [Текст] / В. А. Середович, А. В. Середович, А. В. Иванов, А. В. Усиков // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 1, ч. 3. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия : сб. материалов VI Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2010» (19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010.-С. 75-78.

9 Мамонова, Н. В. Применение результатов наземного лазерного сканирования для целей построения имитационной модели логистической системы предприятия в задачах стратегического планирования [Текст] / Н. В. Мамонова,

А. В. Иванов И ГЕО-Сибирь-2010. Т. 1, ч. 3. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия : сб. материалов VI Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2010» (19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. - С. 84-89.

10 Иванов, А. В. Исследование влияния вибрации штатива на точность измерений наземным лазерным сканером [Текст] / А. В. Иванов, Ашраф А. А. Бешр// ГЕО-Сибирь-2010. Т. 1, ч. 3. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия : сб. материалов VI Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2010» (19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. - С. 90-94.

11 Середович, А. В. Выполнение обмеров строительных конструкций средствами наземного лазерного сканирования при обследовании зданий и сооружений [Текст] / А. В. Середович, А. В. Иванов, А. В. Усиков, О. Р. Мифтахуди-нова // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 1, ч. 2. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия : сб. материалов VII Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2011» (19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. - С. 220-221.

12 Радзюкевич, А. В. Методика наземного лазерного сканирования для пропорционального анализа формы памятника архитектуры (на примере храма Александра Невского г. Новосибирск) [Текст] / А. В. Радзюкевич, В. А. Середович, А. В. Иванов, М. А. Чернова, О. Р. Мифтахудинова II Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов. В 3 т. Т. 3. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 115-126.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Иванов, Андрей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗАДАЧ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ПРИНЦИПОВ, СТРУКТУРЫ И ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

1.1 Основные положения, структура и содержание геодезического контроля инженерных сооружений.

1.1.1 Систематизация структуры и содержания геодезического контроля инженерных сооружений.

1.1.2 Описание содержания геодезического контроля.

1.1.3 Объекты геодезического контроля.

1.1.4 Виды контроля, стандарты, параметры.

1.1.5 Методы и средства геодезического контроля.

1.1.6 Требования к проведению геодезического контроля.

1.2 Современное состояние метода лазерного сканирования, области применения и преимущества.

Выводы.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАЗЕМНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРАХ И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ, ВЫЯВЛЕНИЕ ФАКТОРОВ, СНИЖАЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Принцип действия наземных лазерных сканеров Leica Geosystems

Scan Station СЮ и RIEGL VZ 400.

2.2 Анализ работы измерительных блоков наземных лазерных сканеров

2.2.1 Блок лазерного дальномера.

2.2.2 Блок измерения угловых величин.

2.3 Анализ факторов, влияющих на точность результатов измерений наземного лазерного сканера.

2.4 Разработка методики исследования точности измерений наземным лазерным сканером.

2.4.1 Общие требования к разработке методики исследования точности измерений наземным лазерным сканером.

2.4.2 Исследование погрешностей измерений наземным лазерным сканером на нормальный закон распределения.

2.4.3 Исследование зависимости стабильности работы наземного лазерного сканера от температуры прогрева.

2.4.4 Исследование точности измерения углов наземным лазерным сканером.

2.4.5 Исследование точности лазерного дальномера наземного лазерного сканера.

2.4.6 Исследование влияния угла падения лазерного луча на точность измерения расстояний.

2.4.7 Исследование влияния отражательной способности материалов на точность измерения расстояний.

2.4.8 Исследование точности определения геометрических параметров инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканера.

Выводы.

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛЕВЫХ И КАМЕРАЛЬНЫХ РАБОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНЕРА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО

КОНТРОЛЯ И АПРОБАЦИЯ НА РЕАЛЬНЫХ ОБЪЕКТАХ.

3.1 Методика проведения полевых работ по геодезическому контролю инженерных объектов с применением наземного лазерного сканера.

3.2 Методика проведения работ по обработке данных наземного лазерного сканирования для решения задачи геодезического контроля инженерных объектов.

3.3 Практическое применение наземного лазерного сканирования для решения задачи геодезического контроля инженерных объектов.

3.3.1 Определение геометрических параметров и деформации несущих конструкций вантового моста «Факел».

3.3.2 Определение деформации пролетного строения «Оловозавод-ского» моста при его надвижке на временные опоры.

3.3.3 Определение крена и деформации дымовой трубы Иркутской

3.3.4 Определение геометрических параметров фундамента турбоагрегата Омской ТЭЦ.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики геодезического контроля инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования"

Актуальность. Современные темпы строительства и эксплуатации инженерных сооружений, а также внедряемые новые методы трехмерного проектирования требуют внедрения новейших технологий и методик выполнения инженерно-геодезических работ, отвечающих концепции определения достоверной и оперативной трехмерной геометрической информации.

Использование цифровых трехмерных моделей местности (объектов) значительно увеличивает степень автоматизации процесса проектирования или перепроектирования и актуально в решении различных инжиниринговых задач. Модели реальных объектов местности и рельефа могут быть созданы различными методами, в том числе и с помощью лазерных сканирующих систем, которые на сегодняшний день являются одним из последних достижений в области сбора метрической информации об объектах местности. Использование данной инструментальной системы, за счет высокой степени автоматизации и бесконтактного неразрушающего метода измерений дает возможность поднятия решения инженерно-геодезических задач на качественно новый уровень, значительно снизить влияние человеческого фактора и повысить безопасность при выполнении работ.

Исследование лазерной сканирующей системы и получаемых ею результатов измерений позволит говорить о пригодности ее применении для решения инженерных геодезических задач и дальнейшего формирования методик выполнения полевых и камеральных работ.

Наиболее перспективным направлением применения лазерного сканирования представляется техническая диагностика, основывающаяся на результатах определения ряда параметров, характеризующих качество сооружений и оборудования, которые кратко можно назвать эксплуатационными отклонениями геометрических параметров. Контроль многих геометрических параметров осуществляется с привлечением геодезических методов и средств измерений.

Это дает основание называть процесс измерения кратким выражением - геодезический контроль инженерных объектов.

Таким образом, внедрение в производство и более широкое использование технологии лазерного сканирования при решении задачи геодезического контроля, а также разработка и исследование методик применения данной технологии являются актуальными.

Степень разработанности проблемы. На сегодняшний день использование наземных лазерных сканеров (НДС) для решения инженерных геодезических задач сдерживается отсутствием нормативно-технической документации, регламентирующих и описывающих методики проведения полевых и камеральных работ. Отрицательное влияние также оказывает некачественная техническая документация, поставляемая производителем в комплекте с лазерным сканером, несущая, как правило, нечеткую информацию о погрешности измерений, производимых данным прибором.

В настоящее время данной проблемой занимаются следующие авторы: Журкин И. Г., Сухомлин В. А., Чибуничев А. Г, Середович А. В., Комиссаров А. В., Волкович Е. В., Горькавый И. Н., Велижев А. Б, Жигалов К. Ю., Не-стеренко Е. А., Крутиков Д. В. Известны также работы зарубежных авторов: Шульц Р. В., Милев И., Lichti D., Boehler W., Ingensand H., Ullrich А. и др.

Работы представленных авторов несут преимущественно информацию о постановке проблемы и концептуальных идей исследования лазерного сканирования либо узко направленные методики применения HJIC в производстве. Следовательно, тематика данной диссертационной работы является мало проработанной и имеет производственную необходимость.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: а) выполнение анализа инженерно-геодезических работ и систематизация задач геодезического контроля; б) выполнение анализа современного состояния использования НЛС для решения задач геодезического контроля; в) выполнение анализа конструкции измерительных блоков НЛС; г) выполнение анализа основных факторов, влияющих на точность измерений НЛС; д) разработка методических основ и технологических решений экспериментальной оценки точности измерений НЛС; е) выполнение экспериментальных исследований точности угловых и линейных измерений НЛС; ж) выполнение экспериментальных исследований оценки зависимости альбедо и точности измерений; и) выполнение экспериментальных исследований оценки точности определения геометрических характеристик инженерных объектов на основе данных НЛС; к) разработка методики проведения полевых и камеральных работ с использованием НЛС для решения задач геодезического контроля; л) проведение работ по практической апробации качества определения геометрических характеристик инженерных объектов при решении задач геодезического контроля.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются наземные лазерные сканеры Leica Scanstation СЮ и Riegl VZ400, предметом - особенности производимых ими измерительных параметров, методические, технологические решения измерений и применения, методика реализации задач геодезического контроля.

При выполнении исследований и практической апробации полученных результатов были использованы эталонные геометрические примитивы (плоскость, цилиндр, сфера), а также компараторная установка с лазерным эталонным интерферометром RENISHAW ML 10, обеспечивающая измерение расстояний с погрешностью до 0,7 мкм.

Программное обеспечение - Leica Cyclone 7.3, Rapid Form 2006, Riscan PRO, AutoCAD 2011, Microsoft EXCEL 2007.

На защиту выносятся:

- методика оценки влияния свойств объекта съемки на точность измерения HJIC;

- методика оценки точности угловых и линейных измерений НДС;

- методика и технологические решения применения HJIC для решения задачи геодезического контроля.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- усовершенствована методика оценки точности наземных лазерных сканеров Leica Scanstation СЮ и RIEGL VZ400;

- впервые разработана и прошла производственную апробацию методика применения НДС при геодезическом контроле инженерных объектов.

Научная и практическая значимость работы. Получены теоретические и практические результаты оценки точности определения геометрических параметров инженерных объектов на основе данных НДС. На основе проведенных исследований разработана и внедрена в производство методика проведения полевых и камеральных работ применительно к особенностям изученных объектов исследований, которая в дальнейшем может служить дополнением к существующим нормативным документам, регламентирующим проведение работ с целью геодезического контроля инженерных объектов.

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск) в 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.; на международных инновационных форумах

ИНТЕРРА» (г. Новосибирск) в 2009, 2010, 2011 гг., на международных конференциях FIG в Усть-Каменогорске в 2010 г.; Улан-Баторе в 2011 г. и Алматы в 2012 г.

Реализация результата исследования. Основные положения, разработанные в диссертационной работе, реализованы в методике применения наземного лазерного сканера для решения задачи геодезического контроля инженерных объектов. Данная методика прошла апробацию при выполнении следующих хоздоговорных работ: а) исполнительная съемка вантового моста «Факел», г. Салехард, с целью восстановления геометрических параметров несущих конструкций; б) определение деформации пролетного строения балки Оловозаводского моста, при его надвижке на временные опоры через р. Обь, г. Новосибирск; в) определение деформации и крена дымовой трубы № 3 Иркутской ТЭЦ 3, г. Ангарск; г) определение геометрических параметров фундамента турбоагрегата Омской ТЭЦ, г. Омск;

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 научных статьях, из них 2 - в изданиях, входящих в Перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки Российской Федерации (РФ).

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 150 страниц печатного текста, содержит 70 рисунков и 25 таблиц, включает введение, три раздела, заключение, список использованных источников из 125 наименований, в том числе 5 зарубежных, и 3 приложения.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Иванов, Андрей Васильевич

Выводы

Применение разработанной методики использования НДС для решения задачи геодезического контроля позволило получить практически в реальном режиме времени геометрические параметры сканируемых объектов бесконтактным методом, а также оперативно производить мониторинг состояния этих объектов.

Основными преимуществами использования НДС являются полнота сбора информации, многоцелевое использование полученных результатов, существенное сокращение времени и объемов полевых работ, снижение влияния на результаты человеческого фактора и повешение уровня безопасности проведения полевых работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований показали, что внедрение технологии наземного лазерного сканирования для решения задачи геодезического контроля в Российской Федерации сильно сдерживается отсутствием нормативно-технической документации, регламентирующей методику проведения полевых и камеральных работ, а уровень существующей нормативной документации не отвечает современному уровню развития геодезической науки и практики.

В ходе работы над анализом устройства НЛС выявлен наиболее подверженный внешним влияниям измерительный блок. Им является лазерный дальномер.

Выявлены факторы, наиболее влияющие на точность измерения расстояний блоком лазерного дальномера. К ним можно отнести такие влияния, как внешние атмосферные условия, угол падения лазерного луча по отношению к отражательной поверхности и коэффициент отражательной способности материала изготовления сканируемого объекта.

На основе полученных данных при анализе конструкции НЛС проведены экспериментальные исследования и получены следующее результаты:

- подтверждена гипотеза принадлежности случайной погрешности измерений НЛС к теоретическому закону нормального распределения;

- оценка точности измерения угловых величин отразила количественную характеристику точности определения направления с использованием светоотражающей марки (для Leica СЮ составила 15м, для RIEGL VZ400 составила 17"), также определена точность измерения углов по внутренней сходимости;

- оценка точности измерения дистанции в зависимости от угла падения лазерного луча указывает, что максимальный угол разворота поверхности сканируемого объекта по отношению к падающему лучу без влияния на точность измерения расстояний может достигать 50°;

- зависимость погрешности измерения расстояния от коэффициента отражательной способности (альбедо) показала увеличение точности на окрашенных в светлые тона поверхностях сканируемого объекта, а также получена зависимость точности измерения от шероховатости материала сканируемого объекта;

- оценка точности определения геометрических характеристик инженерных объектов на основе разработанных способов определения «виртуальной контрольной точки» показала погрешность для HJ1C Leica СЮ не более 1 мм, для НДС RIEGL VZ400 не более 1,5 мм.

На основе результатов выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы и дать рекомендации:

- современные лазерные сканеры в полной мере могут быть применены при выполнении высокоточных инженерно-геодезических работ, при геодезическом контроле качества строительных конструкций и наблюдении за их деформациями;

- разработанные методики применения НДС и полученные в работе реальные точности сканеров позволят существенно расширить область их использования;

- разработана и реализована методика экспериментальной оценки точности измерений НДС;

- выполнены исследования влияния отражательной способности объекта на точность измерений НДС;

- разработана методика формирования контролируемых «виртуальных точек» с использованием характерных элементов конструкций сканируемого объекта (пересечение плоскостей и линий) при использовании НДС;

- получены новые данные о влиянии нагрева сканера при работе на точность измерений для моделей НДС Leica СЮ и RIEGL VZ400.

Разработанная методика реализована для решения задачи геодезического контроля на следующих объектах: а) оценка деформации элементов конструкции вантового поста, г. Салехард; б) строительство уникального объекта - моста через р. Обь в г. Новосибирске; в) определение крена и деформации дымоходной трубы ТЭЦ, г. Ангарск; г) определение геометрических параметров фундамента под турбоагрегатом, г. Омск;

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Иванов, Андрей Васильевич, Новосибирск

1. Абсолютные угловые магнитные датчики положения (абсолютные энко-деры) Электронный ресурс. Режим доступа:http://www.skbis.m/index.php?p=3&c=18&d=168. -Загл. с экрана.

2. Анемов, Е. М. Колебания и волны. Базовая терминология Текст. / Е. М. Анемов. М., 2008. - 156 с.

3. Арефьев, А. А. Исследование влияния амплитудных искажений энергетического профиля лазерного пучка на ошибку измерения непрямолинейности и неплоскостности Текст. / А. А. Арефьев // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1983. - № 5. - С. 95-98.

4. Бломберген, Н. Нелинейная оптика Текст. / Н. Бломберг; пер. с англ. -М.: Мир, 1966.-286 с.

5. Большаков, В. Д. Теория ошибок наблюдений Текст.: учеб. для вузов / В. Д. Большаков. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1983. - 233 с.

6. Борн, М. Основы оптики Текст. / М. Борн, Э. Вольф; пер. с англ. М.: Наука, 1973.-713 с.

7. Брайт, П. И. Геодезические методы измерения деформаций оснований сооружений Текст. / П. И. Брайт. М.: Наука, 1965. - 464 с.

8. Бруннер, В. Справочник по лазерной технике Текст. / В. Бруннер. — М.: Энергоатомиздат, 1991.—544 с.

9. Бутиков, Е. И. Оптика Текст. / Е. И. Бутиков. М.: Высшая школа, 1986.-507 с.

10. Великодский, Ю. И. Влияние альбедо и рельефа на закон распределения яркости по диску Луны Текст.: дис. канд. техн. наук. 2002.

11. Велижев, А. Б. Разработка и исследование алгоритмов автоматического взаимного ориентирования трехмерных дискретных моделей объектов, полученных в результате лазерного сканирования Текст.: дис. канд. техн. наук. -М.: МИИГАиК, 2008. 78 с.

12. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей Текст. / Е. С. Вентцель. 11-е. изд., стер. - М.: КНОРУС, 2010. - 664 с.

13. Вентцель, Е. С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения Текст. / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. 5-е. изд., стер. - М.: КНОРУС, 2011.-441 с.

14. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения Текст. / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. 5-е. изд., стер. - М.: КНОРУС, 2010. -480 с.

15. Вильнер, В. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров Текст. / В. Вильнер, А. Ларюшин, Е. Рудь // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2008. - № 3.

16. Воронин, М. Я. Внешнее и внутреннее воздействие на оптико-радиоэлектронные приборы и их испытания Текст.: монография / Воронин М. Я., Синякин А. К., Устюгов М. Б. Новосибирск: СГГА, 2004.- С. 1-60.

17. Волкович, Е. В. Разработка технологии получения электронных крупномасштабных планов сложных инженерных сооружений по результатам наземной лазерной съемки Текст.: дис. канд. техн. наук / Е. В. Волкович. — М.: МИИГАиК, 2007. 117 с.

18. Вшивков, О. В. О комплексном подходе к решению рефракционной проблемы Текст. / О. В. Вшивков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. — 2005,-№4.-С. 41-46.

19. Ганьшин, В. Н. Точность оценивания и форма представления результатов измерений Текст. / В. Н. Ганьшин, М. С. Нестеренок // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1982. - № 3. - С. 3—6.

20. Г. Ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами Текст. / Ван де Хюлст; пер. с англ. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 537 с.

21. Годжаев, Н. М. Оптика Текст. / Н. М. Годжаев. М.: Высшая школа, 1977.-426 с.

22. Горькавый, И. Н. Разработка и исследование методик обработки и классификации трехмерных данных лазерного сканирования Текст.: дис. канд. техн. наук / И. Н. Горькавый. М.: МИИГАиК, 2011. - 136 с.

23. ГОСТ Р 50779.21-2004. Статистические методы. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. Ч. 1. Нормальное распределение Текст. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 44 с.

24. ГОСТ Р ИСО 5479-2002. Статистические методы. Проверка отклонения распределения вероятностей от нормального распределения Текст. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. — 25 с.

25. ГОСТ Р ИСО 5479-2002. Статистические методы. Проверка отклонения распределения вероятностей от нормального распределения Текст. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. 25 с.

26. ГОСТ Р 51774-2001. Тахеометры электронные. Общ. техн. условия. Текст. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001. - 12 с.

27. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. — Взамен ГОСТ 16504-74 ; Введ. 01.01.82. Текст. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1985.-28 с.

28. ГОСТ 8.05-81. ГСИ. Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений. Взамен ГОСТ 8.50-73; Введ. 01.11.81 Текст. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1981. - 14 с.

29. ГОСТ Р 53.340-2009. Приборы геодезические. Общие технические условия; Введ. 07.02.2009 Текст. -М.: ИПК Изд-во стандартов, 2009. 154 с.

30. ГОСТ 19223-90. Светодальномеры геодезические. Общие технические условия; Введ. 01.10.1992 Текст. -М.: ИПК Изд-во стандартов, 1992. 16 с.

31. ГОСТ 111-2001. Стекло листовое. Технические условия; Введ. 07.05.2002 Текст. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. - 20 с.

32. ГОСТ 11897-94. Штативы для геодезических приборов. Общие технические требования и методы испытаний; Введ. 01.07.2001. Текст. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001. - 9 с.

33. ГОСТ ИСО 17123-4-2011. Оптика и оптические приборы. Методики полевых испытаний геодезических и топографических приборов; Введ. 20.08.2011 Текст. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2011. - 20 с.

34. Дианов, Е.М.Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470-1550 нм Текст. / Е. М. Дианов, С. В. Фирстов, В. Ф. Хопин и др. // Квантовая электроника. 2009. - Т. 39 (4). - С. 299.

35. Дураев, В.П. Квантовая электроника Текст. / В. П. Дураев, Е. Т. Неделин, Т. П. Недобывайло и др. // Квантовая электроника. Т. 31. - № 6. - 2001. -С. 529-530.

36. Жарников, В. Б. Проектирование технологий геодезического контроля осадок и деформаций инженерных комплексов Текст.: учеб. пособие / В. Б. Жарников, Б. Н. Жуков. Новосибирск: НИИГАиК, 1989. - 74 с.

37. Жуков, Б. Н. Руководство по геодезическому контролю сооружений и оборудования промышленных предприятий при их эксплуатации Текст. / Б. Н. Жуков. Новосибирск: СГГА, 2004. - 376 с.

38. Жуков, Б. Н. Геодезический контроль сооружений и оборудования промышленных предприятий Текст.: монография. Новосибирск: СГГА, 2003. -356 с.

39. Звелто, О. Принципы лазеров Текст. / О. Звелто. -М.: Мир, 1990.-719 с.

40. Исаев, М. П. Самовоздействие поля излучения твердотельного непрерывного лазера Текст. / М. П. Исаев, В. Р. Кушнир // Квантовая электроника. -1982,-Т. 9, №4.-С. 820-821.

41. Исимару, А. Модели распространения и рассеяния оптического излучения в случайно неоднородных средах Текст. / А. Исимару, И. П. Гуров. М.: Медицина, 2006,- 136.

42. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах Текст. в 2 т. / А. Исимару. М.: Мир, 1981.-281 с.

43. Карпик, А. П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий Текст.: монография / А. П. Карпик. Новосибирск: СГГА, 2004. - 260 с.

44. Карсунская, М. М. Геодезические приборы Текст. / М. М. Карсунская,-М.: Ин-т оценки природ, ресурсов, 2002. 186 с.

45. Кафтан, В. И. Калибровка лазерного сканера на коротком эталонном геодезическом базисе Текст. / И. В. Кафтан, М. В. Никифоров // Геодезия и картография.-2012,-№ 5.-С. 14—19.

46. Кемниц, Ю. В. Теория ошибок измерений Текст. / Ю. В. Кемниц; общ. ред. В. В. Клюева. 2-е. изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1967. - 176 с.

47. Технические средства диагностирования Текст.: справочник / В. В. Клюев, П. П. Пархоменко, В. С. Абрамчук. М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.

48. Практикум по прикладной геодезии: геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации инженерных сооружений Текст. / Е. Б. Клюшин, Д. Ш. Михелев, Д. П. Барков. М.: Недра, 1993. - 275 с.

49. Кринов, Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образований Текст.: монография / Кринов Е. Л. М.-Л.: АН СССР, 1947. -С. 89-132.

50. Комиссаров, А. В. Исследование лазерного сканера МЕОЬ ЬМБ^ЗбО Текст. / А. В. Комиссаров // ГЕО-Сибирь-2005: сб. материалов науч. конгр., 25-29 апр. 2005 г., Новосибирск. Новосибирск: СГГА, 2005. - Т. 5. - С. 202204.

51. Комиссаров, А. В. Методика исследования метрических характеристик сканов Текст.: дис. канд. техн. наук / А. В. Комиссаров. Новосибирск: СГГА, 2007.-201с.

52. Справочник по теории вероятности и математической статистике Текст. /B.C. Королюк и др. М.: Наука, 1985. - 640 с.

53. Кравцов, Ю. А. Геометрическая оптика неоднородных сред Текст. / Ю. А. Кравцов, Ю. И. Орлов. -М.: Наука, 1980.-280 с.

54. Крутиков, Д. В. Трехмерное наземное лазерное сканирование в решении задач геоинформационного обеспечения инфраструктуры горнодобывающих предприятий Текст.: дис. канд. техн. наук / Д. В. Крутиков. Екатеринбург: УГГУ, 2011.- 123 с.

55. Ландсберг, Г. С. Элементарный учебник физики. Колебания, волны, оптика, атомная физик Текст. / Г. С. Ландсберг. М., 1985. - Т. 3.

56. Практикум по курсу прикладной геодезии Текст. / Н. Н. Лебедев, В. Е. Новак, Г. П. Левчук и др. М.: Недра, 1977. - 384 с.

57. Поклад Г. Г. Геодезия Текст.: учеб. пособие для вузов / Г. Г. Поклад. -М.: Академический проект, 2007. 592 с.

58. Левчук, Г. П. Прикладная геодезия Текст. / Г. П. Левчук, В. Е. Новак, В. Г. Конусов. М.: Недра, 1981. - 438 с.

59. Термооптика твердотельных лазеров Текст. / А. В. Мезенов и др. Л.: Машиностроение, 1986.- 199 с.

60. Международный метрологический словарь Электронный ресурс.-Режим доступа: http://mathscinet.ru/slaev/records/images/SlaevChun02.pdf. Загл. с экрана.

61. Мир автоматизации Электронный ресурс. Режим доступа: http://automationworld.com.ua. - Загл. с экрана.

62. Михеечев, В. С. Геодезические светодальномеры Текст. / В. С. Михее-чев.-М.: Недра, 1979.-222 с.

63. Михеечев, В. С. Геодезические светодальномеры Текст. / В. С. Михеечев. М.: Недра, 1974. - 222 с.

64. Михелев, Д. Ш. Геодезические измерения при изучении деформаций крупных инженерных сооружений Текст. / Д. Ш. Михелев, И. В. Рунов, А. И. Голубцов. М.: Недра, 1977. - 184 с.

65. Нестеренко, Е. А. Методика съемки карьеров, отвалов и складов на основе применения трехмерных лазерно-сканирующих систем Текст.: дис. канд. техн. наук / Е. А. Нестеренко. СПб.: СПб ГГИ им. Г.В. Плеханова, 2010.- 149 с.

66. Оцисик, М. Н. Сложный теплообмен Текст. / М. Н. Оцисик. М., 1976.

67. Падве, В. А. Показатель точности геопространственных данных Текст. / В. А. Падве//Геодезия и картография. 2005.-№ 1.-С. 18-19.

68. Промышленная автоматизация технологических производственных процессов и производств Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.sick-automation.ru/. - Загл. с экрана.

69. МИ 2798-2003. Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Тахеометры электронные. Методика поверки Текст. — М.: ВНИИМС, 2003,- 10 с.

70. РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система единства измерений. Метрология. Основные понятия и определения Текст. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. - 48 с.

71. Родионов, С. А. Основы оптики Текст.: конспект лекций / С. А. Родионов. СПб., 2000.

72. Розенберг, Г. В. Атмосферный аэрозоль Текст. / Г. В. Розенберг, Г. И. Гринева // Земля и Вселенная, 1984.

73. Сервоприводы Электронный ресурс. — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%BE%D0 %ВГ%01%80%00%В8%00%В2%00%ВЕ%00%В4,- Загл. с экрана.

74. Сервоприводы Электронный ресурс.- Режим доступа: http://www.servotechnica.ru/files/doc/documents/file-933.pdf.- Загл. с экрана.

75. Сервотехника Электронный ресурс. Режим доступа: http://servotechnica.ru/catalog/type/index.pl?id=l 18. - Загл. с экрана.

76. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. Взамен СНиП П-15-74 и СН 485-75; Утв. 05.12.83. ГП ЦПП. - М.: Стройиздат, 1985. - 40 с.

77. Середович, А. В. Контроль геометрических характеристик элементов электрических машин методом лазерного сканирования Текст. / А. В. Середович, А. В. Иванов // ГЕО-Сибирь-2005: сб. материалов науч. конгр. «ГЕО

78. Сибирь-2005», 25-29 апр.2005 г., Новосибирск. Новосибирск: СГГА, 2005. -Т. 5.-С. 213-215.

79. Середович, А. В. Методика создания цифровых моделей объектов неф-тегазопромыслов средствами наземного лазерного сканирования Текст.: дис. канд. техн. наук / А. В. Середович. Новосибирск: СГГА, 2007. - 165 с.

80. Наземное лазерное сканирование Текст.: монография / В. А. Середо-вич, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. Новосибирск: СГГА,-2009.-С. 261.

81. Use of 3D Laser Scanning Technology for Surveying of the FAKEL Cabel-Stayed Bridge Text. / В. А. Середович, А. В. Середович, А. В. Комиссаров,

82. A. В. Иванов // Proceedings of the FIG WG 6.3 Workshop on Currernt Challenges of Engineering Surveys. 23-24 April 2008, Novosibirsk, RussianFederation, 2008. -PP. 68-75.

83. Скейвалас, И. M. Влияние систематических ошибок на критерий эффективности оценки математического ожидания и дисперсии при усеченном распределении Текст. / И. М. Скейвалас // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1991.-№ 6. - С. 31-36.

84. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений Текст. Взамен СНиП II-15-74 и СН 485-75; Утв. 05.12.83. ГП ЦПП. - М.: Стройиздат, 1985. -40 с.

85. СТО СГГА 012-2011. Стандарт организации. Система менеджмента качества Текст. Новосибирск: СГГА, 2011.

86. Тарасов, JI. В. Четырнадцать лекций о лазерах Текст. / JI. В. Тарасов. -М.: Книжный дом «Либроком», 2011. 174 с.

87. Технические средства диагностирования Текст.: справочник /

88. B. В. Клюев, П. П. Пархоменко, В. С. Абрамчук и др.; под общ. ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.

89. Трофимова, Т. И. Курс физики Текст. / Т. И. Трофимова. М.: Академия, 2006,- 542 с.

90. Уставич, Г. А. О влиянии вибрации на светодальномерные измерения Текст. / Г. А. Уставич, А. В. Кошелев // Геодезия и картография. 1998. - № 6. -С. 8-10.

91. Хргиан, А. X. К вопросу о теории боковой рефракции Текст. / А. X. Хргиан //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1961. -№ 3. - С. 17-22.

92. Чернышева, JI. С. Оледенения, Арктические льды и климат Текст.: курс лекций / JI. С. Чернышева, А. X. Хргиан; Кафедра метеорологии, климатологии и охраны атмосферы ДВГУ // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -1961.-№3,-С. 17-22.

93. Чупырина, В. Н.Технический контроль в машиностроении Текст.: справочник проектировщика / В. Н. Чупырина, А. Д. Никифорова. М.: Машиностроение, 1987. - 512 с.

94. Шухостанов, В. К. Физические основы дистанционного зондирования техносферы из космоса Текст. / В. К. Шухостанов, А. Г. Цыбанорв, J1. А. Ве-дешин.-М., 2003,- 120 с.

95. Ямбаев, X. К. Геодезическое инструментоведение Текст.: практикум: учеб. пособие для вузов / X. К. Ямбаев, Н. X. Голыгин. М.: ЮКИС, 2005. -312 с.

96. Ямбаев, X. К. Геодезическое инструментоведение Текст.: практикум: учеб. пособие для вузов / X. К. Ямбаев. М.: Академический проект; Гаудеа-мус, 2011.-С. 476-502.

97. Blais F. Recursive model optimization using ICP and free moving 3D data acquisition Электронный ресурс. / F. Blais, M. Picard, G. Godin// Canada, 2003. -Режим доступа: http://grok.ecn.uiowa.edu/Projects/USARSim/docs/nrc-45834.pdf. -Загл. с экрана.

98. Mears R.J., Reekie L., Jancie I.M., and Payne D.N., High gain rare-earth doped fiber amplifier at 1.54 jam // Proc. Of Optical Fiber Communication Conference, 1987, 3, OS A Technical Digest Series, (Optical Society of America, Washington), 167.

99. Mikhailov V., P. Bayvel, R. Wyatt, I. Lealman. Electronics Letters, vol. 37, 2001, p. 909-910.125. 11. Optical maser action of Nd3+ in a barium crown glass // Phys. Rev. Lett., 1961,7, 444.

Информация о работе

Иванов, Андрей Васильевич
кандидата технических наук
Новосибирск, 2012
ВАК 25.00.32

Диссертация

Разработка методики геодезического контроля инженерных объектов на основе данных наземного лазерного сканирования - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы