Doctorat topografie

download Doctorat topografie

of 74

Transcript of Doctorat topografie

UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII BUCURETI FACULTATEA DE GEODEZIE CATEDRA DE TOPOGRAFIE I CADASTRU TEZ DE DOCTORAT (rezumat) PERFECIONARI ALE LUCRRILOR TOPOGRAFICE I GEODEZICE N DOMENIUL CILOR DE COMUNICAII CONDUCTOR TIINIFIC: Prof.univ.dr.ing. Petre Iuliu DRAGOMIR DOCTORAND: ef lucr.ing. Adrian SAVU - 2010 -Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii I Nr. Crt. Denumire Nr. pag. Intoducere A 1 CAPITOLUL I - SISTEME DE SCANARE LASER TERESTRE I AEROPURTATE 1 1.1 Introducere 2 1.2 Clasificarea sistemelor de scanare laser 3 1.3 Principii de msurare a distanelor n tehnica de scanare laser terestr 6 1.3.1 Principiul msurrii timpului de zbor 6 1.3.2 Principiul msurrii diferenei de faz 7 1.3.3 Principiul triangulaiei 9 1.3.3.1 Principiul triangulaiei cu o singur camer 9 1.3.3.2 Principiul triangulaiei cu dou camere 10 1.4 Metode de deviere (deflecie) a razei laser 10 1.4.1 Deflecia razei utiliznd oglinda oscilatoare 11 1.4.2. Deflecia razei utiliznd prisme optice 11 1.4.3 Deflecia razei utiliznd switch_uri de fibr optic 11 1.5. Surse de erori n scanarea laser 12 1.5.1 Erori instrumentale 13 1.5.1.1 Propagarea razei laser 13 1.5.1.2 Problema mixrii muchiilor 14 1.5.1.3 Nesigurana distanei 14 1.5.1.4 Nesigurana unghiular 15

1.5.1.5 Erori ale axelor n Scanarea Laser Terestr 16 1.5.1.6 Eroarea de spot 16 1.5.2 Erori legate de forma i natura obiectului scanat 17 1.5.3 Erori datorate mediului n care se efectueaz scanarea 19 1.5.3.1 Temperatura 19 1.5.3.2 Atmosfera 20 Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii II 1.5.3.3 Radiatii interferente 20 1.5.3.4 Distorsiuni provenite din micri 21 1.5.4 Erori metodologice 21 1.6 Componentele unui Sistem de Scanare Laser 22 1.6.1 Componentele sistemului static de scanare terestru 23 1.6.2 Componentele sistemului de scanare laser terestr, n regim dinamic 24 1.6.3 Componentele sistemului de scanare laser aeropurtat 24 1.7 Tipuri de Sisteme de Scanare Laser terestre 25 1.8 Particulariti ale Sistemelor de Scanare Laser Aeropurtate 34 1.8.1 Istoric 34 1.8.2 Caracteristici principale ale sistemului de scanare laser aeropurtat 34 1.8.3 Surse de erori n cazul scanrii utiliznd sisteme de scanare aeropurtate 37 1.8.4 Componentele sistemului de scanare laser aeropurtat 37 1.8.5 Platforme de zbor 40 1.9 Tipuri i caracteristici ale Sistemelor de Scanare Laser Aeropurtate 42 2 CAPITOLUL II - SOFTURI DE PRELUCRARE, ANALIZ I INTERPRETARE 48 2.1 Generaliti 48 2.2 SceneVision-3D 49 2.3 FARO Scene 50 2.4 I-SiTE Studio 51 2.5 RiSCAN PRO 52 2.6 Phidias 54

2.7 FLIP 7 55 2.8 WinMP 59 2.9 EUPALINOS 61 3 CAPITOLUL III REELE DE SPRIJIN PENTRU RIDICRI UTILIZND SISTEME DE SCANARE LASER 63 3.1 Introducere 63 3.2 Reele de ridicare clasice utilizate n tehnica de scanare laser 63 3.2.1 Reele liniar-unghiulare 64 Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii III 3.2.2 Reele poligonometrice 66 3.2.3 Particulariti ale reelor clasice pentru ridicri utiliznd laser scanner aeropurtat 67 3.2.4 Particulariti ale reelelor clasice pentru ridicri utiliznd laser scanner terestru la reabilitarea tunelelor 68 3.3 Relizarea reelelor de ridicare folosind tehnologii GPS 69 3.3.1 Realizarea reelelor prin msurtori statice 69 3.3.2 Utilizarea tehnologiilor GNSS la scanrile laser 74 3.3.3 Utilizarea Rompos la scanrile laser 78 4 CAPITOLUL IV MSURTORI GEODEZICE EFECTUATE PENTRU LUCRRI DE MODERNIZARE A TUNELELOR DE CALE FERAT 82 4.1 Introducere. Scurt istoric 82 4.2 Tuneluri. Elemente generale 87 4.2.1 Elementele caracteristice ale unui tunel 91 4.3 Realizarea Bncii de Date pentru tuneluri n exploatare 94 4.4 Msurtori i lucrri geodezice la ntreinerea i modernizarea tunelelor 98 5 CAPITOLUL V PERFECIONRI ALE LUCRRILOR GEODEZICE I ASISTEN TOPOGRAFIC DE SPECIALITATE LA MODERNIZAREA TUNELELOR DE CALE FERAT 101 5.1 Generaliti 101

5.2 Prezentarea zonei de lucru 102 5.2.1 Poziionare geografic 102 5.2.2 Clima i fenomenele naturale specifice zonei 102 5.2.3 Geologie, seismicitate 103 5.2.4 Date de proiectare 104 5.2.5 Date istorice din timpul exploatrii 105 5.3 Realizarea reelei de ndesire i de ridicar 107 5.4 Determinarea coordonatelor punctelor de detaliu 109 5.4.1 Msurtori clasice 109 5.4.2 Msurtori n regim dinamic efectuate cu sistemul de scanare laser L-KOPIA/LKO 110 5.4.3 Msurtori efectuate cu sistemul de scanare SCANSTATION 113 Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii IV 5.5 Prelucrarea msurtorilor 117 5.5.1 Prelucrarea msurtorilor efectuate cu tehnologii clasice 118 5.5.2 Prelucrarea msurtorilor efectuate cu sistemul de scanare LKOPIA/LKO 118 5.5.3 Prelucrarea msurtorilor efectuate cu sistemul de scanare ScanStation 2 118 5.6 Lucrri postprocesare, mbuntirea datelor, modelare 2D i 3D, exportul datelor 122 5.6.1 Postprocesarea datelor obinute prin msurtori clasice cu staia total 122 5.6.2 Postprocesarea datelor obinute prin msurtori cu sistemul de scanare L-KOPIA/LKO 124 5.6.3 Postprocesarea datelor obinute prin msurtori cu sistemul de scanare ScanStation 2 125 5.6.3.1 Filtrarea datelor 127 5.6.3.2 Crearea sectiunilor 128 5.6.3.3 Obtinerea modelului TIN (Triangulated Irregular Networks) 131

5.6.3.4 Calculul volumelor 133 5.6.3.5 Generarea curbelor de nivel 134 5.6.3.6 Calculul volumelor de umplutur i sptur 134 5.6.3.7 Exportul datelor 135 5.7 Comparaii ntre rezultatele obinute n urma prelucrrilor 138 5.7.1 Compararea profilelor transversale 138 5.7.2 Compararea poziiei axului cii de rulare 140 5.8 Realizarea documentaiei necesare la intreinerea i modernizarea tunelurilor 142 5.8.1 Determinarea elementelor curbei reale a tunelului 142 5.8.2 Calculul valorilor de dezaxare a elementelor tunelului i a valorilor de ncadrare a gabaritului de liber trecere 144 5.8.3 Fia msurrii gabaritului la inele 147 5.8.4 Realizarea releveului desfurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente 148 5.9 Transformri de coordonate 149 5.9.1 Transformare conform. Metoda Helmert 150 5.9.2 Relaiile generale de prelucrare cu modelul Gauss-Helmert 151 5.9.3 Transformarea tridimensional 154 Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii V 5.9.4 Compararea rezultatelor transformrilor de coordonate 155 6 CAPITOLUL VI CONCLUZII, CONTRIBUII, PERSPECTIVE 158 7 CAPITOLUL VII BIBLIOGRAFIE 163 ANEXA 1 A ANEXA 2 B ANEXA 3 E ANEXA 4 F ANEXA 5 H Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii A Lucrarea de fa abordeaz problema utilizrii sistemelor de scanare laser terestre i aeriene ca suport pentru lucrrile topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaie. Modernizarea, reabilitarea i construcia cilor de comunicaie i lucrrile de art ce in de acestea, tuneluri, poduri, a cunoscut un mare avnt n ultimi ani, acestui domeniu i-au fost

alocate resurse importante att financiare ct i de tehnologie. Din aceste motive utilizarea sistemelor de scanare laser n acest domeniu ar putea duce la scurtarea timpului necesar achiziionrii datelor necesare proiectrii, mbuntirea produselor necesare, fr a se face rabat de la preciziile necesare i obligatorii n acest domeniu. Specificul construciei i modernizrii cilor de comunicaii presupune asisten topografic de specialitate n toate fazele realizrii acestor proiecte (drumuri, ci ferate, lucrri de art), att n faza de studii ct i la proiectare i execuie. Acest lucru este valabil i n faza de exploatare i modernizare a infrastructurii cilor de comunicaii. De importan major sunt lucrrile de art, parte integrant a cilor de comunicaie rutiere i feroviare, aceste lucrri presupun o atenie deosebit din punct de vedere a lucrrilor topografice i geodezice. Din multitudinea de tipuri de lucrri de art specifice cilor de comunicaii se disting n mod deosebit tunelele, construcii cu caracter special prin complexitatea soluiilor de proiectare, a dificultilor n timpul execuiei dar i prin necesitatea existenei unor programe speciale de ntreinere, urmrire n timp i modernizare pe perioada exploatrii. Tunelele feroviare reprezint ramura cea mai important a tunelelor pentru ci de comunicaii att prin lungime, numr ct i prin diversitatea alctuirii a tipurilor de teren strbtute i a lucrrilor topografice i geodezice pe care le solicit. Prin aceast lucrare doresc s propun o tehnologie de achiziionare a datelor i de obinere a produselor finale pentru tunele utiliznd sisteme de scanare laser, de asemenea lucrarea -i propune o analiz i o comparaie pertinent a posibilitilor de utilizare, a dou sisteme de scanare laser (L-KOPIA/LKO i SCANSTATION2) i a tehnologiilor clasice, pentru realizarea produselor specifice necesare modernizrii tunelelor (profile longitudinale, transversale, comparaii ntre elementele proiectate i cele reale, calcule de ncadrare a gabaritelor, etc.) care justific aceast propunere. n abordarea problematicii specifice tunelelor trebuie inut cont c, n proporie covritoare, aceste msurtori se efectueaz n linie curent, nchiderea de linie fiind dificil de

realizat i pe perioad scurt. Aceasta este o condiie restrictiv extrem de important presupune realizarea programului de msurtori ntr-un interval de timp foarte scurt. n multe cazuri folosirea combinat i judicioas a mai multe tipuri de msurtori reprezint alegerea optim pentru realizarea acestori lucrri specifice tunelurilor. Teza este structurat pe capitole, subcapitole i paragrafe, care sunt numerotate ierarhic, astfel nct identificatorul unei subdiviziuni este precedat de codul structurii superioare. Aceast structur asigur regsire facil a trimiterilor din text. Paginile, relaiile, figurile i tabelele s-au numerotat la nivelul fiecrui capitol. Introducerea conine justificarea temei abordate i descrierea sumar a tuturor capitolelor. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii B Capitolul 1 SISTEME DE SCANARE LASER TERESTRE I AEROPURTATE, trece n revist principiul sistemelor de scanare, clasificarea sistemelor de scanare laser, principii de msurare a distanelor n tehnica de scanare laser terestr, metode de deviere (deflecie) a razei laser, surse de erori n scanarea laser, componentele i tipurile de sisteme de scanare laser, particulariti ale sistemelor de scanare laser aeropurtate, tipuri i caracteristici ale sistemelor de scanare laser aeropurtate. n subcapitolul 1.5 sunt prezentate surse de erori specifice sistemelor de scanare laser, principalele categorii de surse de erori analizate sunt: erori instrumentale, erori legate de forma i natura obiectului scanat, erori datorate mediului n care se efectueaz scanarea, erori metodologice. n subcapitolul 1.6 se analizeaz sistemul de scanare laser n funcie de urmatoarele componente principale: unitatea de scanare, unitatea de control, sursa de energie, componenta software, sistemul inertial, sistemul de control al pozitiei, accesorii. De asemenea se prezint unitatea de scanare, sau instrumentul propriu-zis cu componentele sale: sistemul de masurare a distantelor, sistemul de masurare al unghiurilor si sistemul de deflectie. Subcapitolele 1.7 i 1.9 prezin cele mai utilizate sisteme de scanare terestre i aeriene

din prisma performantelor, preciziei i altor particulariti importante n cea ce privete alegerea unui sistem sau a altuia pentru un anumit tip de lucrare. Capitolul 2 SOFT DE PRELUCRARE, ANALIZ I INTERPRETARE, din multitudinea de programe existente pe pia, scoate n eviden posibilitile de prelucrare a msurtorilor obinute n urma scanrii laser, care presupune mai multe etape: registraie, procesarea norului de puncte, post-procesare, modelarea 2D i 3D i obinerea produselor finale. Subcapitolele 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, prezint cele mai utilizate softuri n domeniu SceneVision3D, FARO Scene, I-Site Studio, RiSCAN PRO cu posibilitile, avantajele, dezavantajele i domeniile specifice de aplicabilitate. Subcapitolul 2.6, propune i o soluie combinat, prin combinarea fotogrametriei digitale cu scanarea laser care este posibil prin Phidias, un soft plug-in conceput pentru MicroStation. Subcapitolul 2.7, analizeaz produsul FLIP7 conceput special pentru prelucrarea datelor obinute din scanarea laser aerian, produsul este o soluie integrat care pune la dispoziie modul pentru planificarea zborului, module pentru prelucrarea informaiilor preluate de la sistemul GPS de la bord, sistemul IMU, receptoarele GPS de la sol, modul de registraiei, module de filtrare, analiz i generare de produse 2D i 3D. Subcapitolul 2.8, analizeaz produsul WinMP care este un soft dedicat pentru ntocmirea planurilor i documentaiei privind intinerariul de zbor i un sistem de control pentru CCNS(Computer Controlled Navigation System). Subcapitolul 2.9 prezin pachetul de programe EUPALINOS acesta fiind conceput exclusiv pentru rezolvarea tuturor obiectivelor topografice i geodezice, n domeniul construciei i modernizrii tunelelor. Capitolul 3 REELE DE SPRIJIN PENTRU RIDICARI UTILIZND SISTEME DE SCANARE LASER, prezint tipurile de reele de ridicare care se realizeaz i se utilizeaz n cazul utilizrii sistemelor de scanare laser. Pornind de la reele de ridicare realizate clasic, realizate cu

instrumentul de scanare, realizate cu tehnologii GPS sau prin utilizarea soluiilor GNNS. Capitolul 4 MSURTORI GEODEZICE EFECTUATE PENTRU LUCRRI DE MODERNIZARE A TUNELELOR DE CALE FERAT, ncepe cu un scurt istoric al realizrii tunelurilor n Romnia, se coninu cu o clasificare i cu elementele specifice ale acestor Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii C construcii de art, este prezentat de asemenea toat gama de lucrri specifice necesare la modernizarea tunelelor. Subcapitolul 4.3, prezint informaiile necesare realizrii bancii de date pentru tunele n exploatare, din punct de vedere al msurtorilor topografice i geodezice, aceste informatii se culeg periodic, calendarul investigatiilor este prevzut de gestionarul tunelului i const n: verificarea gabaritului tunelului prin realizarea de relevee transversale executate intodeauna n aceleai sectiuni, ntocmirea releveului desfasurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente, realizarea profilului longitudinal al axului ci de rulare. Utima parte a capitolului este dedicat strict msurtorilor i lucrri geodezice ce se execut la ntreinerea i modernizarea tunelelor, dintre aceste lucrri sunt trecute n revist: msurtori pentru verificarea conturului intradosului, msurtori pentru verificarea debuseului i ncadrarea gabaritului de liber trecere, verificarea geometriei cii de rulare, calculul dezaxrii ntre axul existent al cii de rulare i axul proiectat al ci de rulare, dezaxarea dintre axul tunelului i axul ci de rulare. Capitolul 5 PERFECIONRI ALE LUCRRILOR GEODEZICE I ASISTEN TOPOGRAFIC DE SPECIALITATE LA MODERNIZAREA TUNELELOR DE CALE FERAT, prezint aplicarea n practic a conceptelor teoretice i tehnicilor de lucru prezentate n capitolele anterioare. Datele utilizate const n: msurtori clasice, msurtori cu sistemul de scanare LKOPIA/LKO i msurtori cu sistemul de canare SCANSTATION 2.

n prima parte sunt prezentate caracteristicile Tunelului Banlaca la care s-au efectuat msurtorile, poziionare geografic, clima i fenomenele naturale specifice zonei, geologie, seismicitate, date de proiectare, date istorice din timpul exploatrii, toate acestea justificnd necesitatea modernizrii. Se continu cu realizarea reelei de ndesire i de ridicare, prelucrarea msurtorilor efectuate cu tehnologii clasice, cu sistemul de scanare LKOPIA/LKO i cu cu sistemul de scanare ScanStation 2. Subcapitolul 5.6 prezint post procesarea datelor obinute cu cele trei metode de msurare i a produselor obinute prin fiecare metod, n subcapitolul 5.7 se fac comparaii ntre rezultatele obinute n urma prelucrrilor, subcapitolul 5.8 analizeaz posibiliti de realizare a documentaiei necesare la ntreinerea i modernizarea tunelurilor. n ultima parte a capitolului transformrile de coordonate specifice sistemelor de scanare laser sunt efectuate cu ajutorul modelului Gauss-Markov i Gauss-Helmert n spaiul bidimensional i tridimensional, pe baza msurtorilor brute efectuate cu sistemul de scanare Scanstation2. Sunt prezentate comparaii ntre parametrii de transformare obinui cu modelele Gauss-Markov i Gauss-Helmert, cu rezultatele obinute prin registraie cu softul Cyclone. Capitolul 6 CONCLUZII, CONTRIBUII, PERSPECTIVE, prezint principalele idei sintetizate a rezultatelor obinute, contribuiile aduse de lucrarea de fa i perspective de cercetare pe viitor. Capitolul 7 BIBLIOGRAFIE cuprinde autori i titluri de cri, reviste, articole din volumele unor conferine i simpozioane, cursuri universitare de perfecionare, informaii obinute pe cale electronic (site-uri internet) la care s-au fcut trimiteri pe parcursul lucrrii. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 1 nceputurile msurtorilor -i au originea n determinarea distanei dintre dou puncte din teren prin numrarea pailor dintre puncte, urmtoarea etap n evoluia msurtorilor a

fost utilizarea unui etalon, de la aceast metod pn la teodolite nu a mai fost dect un pas. n anii 1970, metodele electro-optice de msurare a distanei (EDM) au revoluionat ntreaga industrie de instrumente topografice, staiile totale de azi fiind versiunea modern a acestei tehnologii. n ultimul deceniu, sistemul global de poziionare (GPS) a revoluionat metodele de poziionare tridimensional a punctelor de pe suprafaa terestr. n condiiile n care tiina i tehnologia au cunoscut o continu dezvoltare, echipamentele topografice au devenit tot mai sofisticate. Cea mai recent inovaie n acest domeniu este tehnica de scanare laser terestr i aerian. La nceputul acestui deceniu, un nou concept a revoluionat modalitatea de determinare rapid a poziiei spaiale a obiectelor, acesta fiind bazat pe scanarea laser 3D. Un echipament de scanare 3D este compus din: sistemul de scanare laser 3D, computer i componenta soft de scanare, transfer i prelucrare a datelor preluate. Acest concept a fost preluat i n msurtorile topografice i geodezice, deoarece prin intermediul acestei tehnologii poate fi determinat automat geometria unui obiect, fr ajutorul unui mediu reflectorizant, cu precizie i vitez ridicat. Rezultatul msurtorilor este reprezentat de o mulime de puncte, numit n literatura de specialitate nor de puncte. Tehnologia de scanare laser poate fi clasificat n dou categorii: scanare static; scanare n regim dinamic. Pe baza acestor dou tipuri de abordri n scanarea laser s-au dezvoltat i aplicaii specifice, pe domenii, n care scanarea laser este utilizat (figura 1.1). Sisteme de scanare laser Scanare dinamica Scanare static Terestr Aerian Distan mare 200 1000 m Distan medie 20 200 m Distan mic 0 20 m

Ci rutiere Silvicultur Agricultur Reele edilitare Cariere Ci rutiere Aeroporturi Constructii Arhitectur Monumente Tunele Poduri Medicin Criminalistic Proiectare Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 2 Scanarea laser n regim static este definit n cazul n care poziia instrumentului este fix pe durata achiziionrii datelor. Avantajele cele mai importante ale acestei metode sunt: precizia ridicata a rezultatelor, densitatea mare de puncte preluate, rezolvarea uoar a problemelor de registraie (calculul coordonatelor X, Y, Z). Scanarea laser n regim dinamic presupune c instrumentul montarea instrumentului pe o platform mobil. Aceast platform poate fi aerian (avion, elicopter) sau terestr (autovehicul n micare). Aceste sisteme sunt mult mai complexe i mai costisitoare deoarece n componena lor intr i alte sisteme adiionale, cum ar fi: Sisteme Ineriale de Navigaie (INS) i Sisteme de Poziionare Global (GPS). Piaa sistemelor de scanere laser terestr s-a dezvoltat n ultimii ani cu un real succes i n privina aplicaiilor de precizie ridicat, ele putnd fi privite ca instrumente topografice i geodezice care ndeplinesc cerinele prevzute de aceste aplicai. O clasificare a sistemelor de scanere laser terestre este destul de problematic, deoarece ar trebui definit baza acestei clasificri. Firmele productoare scot pe pia constant instrumente mbuntite i exist o gam vast de lucrri n care acestea sunt utilizate. Posibile

clasificri se pot face dup urmtoarele criterii: domeniul de msurare al distanelor; mrimea cmpului de scanare (field of view - FOW); principiul sistemului de msurare a distanelor; densitatea de achiziionare a punctelor; precizia determinrii poziiei spaiale a punctelor; domeniul de scanare, etc. Pornind de la clasificarea sistemelor de scanare laser din punctul de vedere al modului de msurare a distanei, se utilizeaz n prezent trei tehnici de determinare a distanei: principiul msurri timpului de zbor, principiul msurrii diferenei de faz i principiul triangulaiei. Este ntlnit n literatura de specialitate sub denumirea de time-of-fight (TOF) sau laser pulsed. n acest caz, distana de la instrument la obiect este determinat n funcie de timpul de parcurgere al acesteia sau timpul ntre emitere i recepie a undei laser. n principiu, o dioda emite un impuls laser cu o frecven cunoscut ctre un obiect din teren. Aceast und este reflectat difuz de pe suprafaa obiectului i o parte din ea se ntoarce la receptor. Pentru fiecare impuls este msurat timpul dintre emitere i recepie. Distana rezult din formula: D = (co*t) /2 (1.1) unde: D distana, t timpul contorizat pe traseul dus ntors, co viteza luminii n vid (299792458 m/s) Printre avantajele utilizrii acestei metode se numr: mrimea redus a sistemului de msurare, imunitatea ridicat la interferene, precizie ridicat de msurare, domeniu mare de msurare, culegere rapid a datelor, raport performan - pre excelent. Este ntlnit i sub denumirea de de phase difference sau phase comparison. Aceast metod este ntlnit i la o serie de staii totale. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 3 Distana de la instrument la obiectul scanat este determinat n funcie de diferena de faz dintre semnalul emis i cel receptat: D = n * + */2 (1.2) unde: n - numrul de lungime de und ntregi, lungimea de und, defazajul

Fiind vorba despre o emitere continu de unde laser, intensitatea laserului este modulat de o funcie bine definit, sinusoidal sau ptratic. Modulaia semnalului este repetat continuu cu o perioad de timp Tp. Laserul emite continuu o lumin cu nivele moderate de putere, timpul n care semnalul parcurge distana TL este determinat prin msurarea diferenei de faz ntre semnalul emis i cel recepionat. Pentru o rezoluie de faz cunoscut (), rezoluia domeniului se calculeaz cu relaia: s = /2 * (1.3) Principiul triangulaiei este utilizat la msurarea precis a distanei, utiliznd sensori de triangulaie laser. Denumirea procedeului vine de la faptul c raza emis, raza reflectat i distana ntre emitorul laser i camera (senzorul) CCD formaz un triunghi. Principiu triangulaiei este aplicat n dou variante: sistemul cu o singur camer i sistemul cu dou camere. Aceast metod presupune emiterea unui fascicul laser de la instrument i reflexia acestuia de pe suprafaa obiectului (de msurat) spre o lentil colectoare situat pe instrument, la o distan cunoscut fa de emitor. Lentila focuseaz imaginea spotului laser reflectat, care este detectat i colectat de o camer (senzor) CCD. Poziia spotului imagine pe pixelii camerei este apoi procesat pentru a determina distana pn la obiect. Unghiul fasciculului laser emis este nregistrat de aparat iar distana ntre sursa laser i camera CCD este cunoscut de la calibrarea instrumentului. Distana de la instrument pn la obiect (D) este determinat geometric din lungimea bazei (b) i unghiurile nregistrate ( i ). D = b * sin / sin = b * sin /sin( + ) (1.4) O alt soluie, bazat pe acelaii principiu, presupune utilizarea a dou camere CCD, amplasate la capetele bazei, spotul laser fiind generat de o surs independent, care nu are funcie de msurare. Rezolvarea este identic cu cea de la cazul precedent. Datorit limitrilor fizice de a crea o baz mare, scanerele laser care utilizeaz acest

principiu sunt utilizate preponderent pentru aplicaii la mic distan i pentru scanarea de obiecte de mici dimensiuni. Avantajele metodei constau n faptul c ofer o precizie de msurare a distanei, care poate ajunge n domeniul micronilor. n cazul sistemelor de msurare bazate pe tehnologii laser, pe lng precizia de determinare a distanei, pentru obinerea coordonatelor 3D ale punctelor ne intereseaz i precizia de msurare a unghiurilor, n acest caz orientarea razei laser. Metoda folosit pentru baleerea cu fasciculul laser a obiectului de scanat are un mare impact asupra calitii datelor nregistrate. Pentru aceasta, se utilizeaz o unitate de deflecie, Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 4 care poate fi: oglinda oscilatoare (oscillating mirror), prisme optice reflectorizante rotative (rotating polygon) sau switch-uri de fibr optic (fiber switch) Pornind de la numeroasele domenii de activitate n care scanarea laser terestr i dovedete utilitatea i dac vorbim de aplicaii ale msurtorilor topografice sau geodezice, precizia de determinare a poziiei spaiale a norului de puncte este un parametru important, care trebuie luat n considerare i analizat. Principalele categorii de surse de erori n scanarea laser terestr sunt: erori instrumentale, erori legate de forma i natura obiectului scanat, erori datorate mediului n care se efectueaz scanarea, erori metodologice. Un echipament de scanare laser terestr este compus la modul general dintr-un sistem de msurare a distanei prin unde n combinaie cu un sistem de deviere a razei laser, aceasta fiind direcionat pe direcia de msurere. Sistemul emite raza laser n direcia pe care urmeaz s se msoare, iar lumina reflectat este detectat i interpretat. Acurateea msurtorilor depinde de distana la care se msoar, de intensitatea luminii laser reflectate i implicit de reflexia suprafeei obiectului scanat. Reflexia depinde de unghiul de inciden i proprietile suprafaei care reflect fasciculul laser. Erorile instrumentale se pot clasifica n erori sistematice i aleatoare i pot fi corespunztoare tipului de scaner. Erorile aleatoare afecteaz n principiu precizia de msurare a distanelor i unghiurilor n cazul instrumentelor care utilizeaz metoda pulsului (time-of-flight).

Erorile sistematice pot fi generate de neliniaritatea sistemului de msurare a timpului sau de temperatur, acestea putnd influena puternic msurtorile electronice ale distanelor. Pornind de la ipoteza c scanerele laser msoar reflexia razei laser de la suprafaa unui obiect, ne aflm fa n fa cu legile fizicii, ale refleciei i proprietilor optice ale materialelor componente ale obiectului respectiv. Suprafaa de reflecie a luminii monocromatice poate arta sub forma unor raze de reflecie n mai multe direcii. Acest tip de reflecie difuz (izotropic) poate fi descris n general de legea Lambert a cosinusului: .

(1.10) unde: I este intensitatea luminii incidente, ca funcie de lungimea de und (culoare) i care este absorbit n momentul n care raza laser trece prin aer; k este coeficientul de reflexie difuza, care este functie de lungimea de unda; este unghiul ntre lumina incident i vectorul normal la suprafa. Aceast formul ne indic faptul c raza laser este afectat de absorbia semnalului la trecerea prin aer, de reflecia materialului din care este compus suprafaa supus msurrii i de unghiul de inciden ntre raza laser i suprafaa supus msurrii. Aceasta nseamn c pentru suprafete foarte nchise (spre negru) care absorb majoritatea spectrului vizibil, semnalul reflectat poate fi foarte slab. Acest fenomen are ca urmare faptul c precizia punctelor determinate prin msurtori va fi afectat de erori (zgomote). Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 5 Este necesar de avut n vedere c temperatura n interiorul scanerului poate fi mult mai mare decat cea a atmosferei i a mediului nconjurtor, datorit att nclzirii proprii a componentelor interne ct i influenelor externe (de exemplu lumina solar). Radiaiile externe pot influena predominant pe o parte a trepiedului sau a scanerului, ceea ce prin dilatare poate conduce uor la distorsionarea datelor de scanare. Sistemele de scanere laser funcioneaz la parametrii maximi atunci cnd sunt utilizate ntr-un mediu de scanare cu o temperatur relativ constant dealungul distanelor pe care le msoar. n momentul n care pe domeniul de msurare apar diferene de temperatur, acestea influenteaz n special precizia de msurare a distanelor. n momentul n care scanerele laser opereaz n benzi de frecven foarte apropiate,

precizia de msurare a distanelor poate fi influenat de radiaii externe, de exemplu de surse puternice de iluminare externe. n acest caz, pot fi aplicate n unitatea de recepie filtre de interferen optice speciale, pentru ca receptorul s ajung la frecventele corecte. Multe scanere laser au rate de scanare cuprinse ntre 2000 i 500000 puncte pe secund. Cu toate c aceast rat este foarte mare, scanarea cu o rezoluie mare poate dura 20-30 minute, pentru scanarea care utilizeaz tehnica msurrii timpului (time-of-flight) sau aproximativ 10 minute, pentru scanarea care utilizeaz tehnica msurrii diferenei de faz (phase). n acest interval, scanerul este succeptibil la vibraii care pot provoca mici deplasri, denumite i distorsiuni provocate de micare. Acestea sunt erori datorate metodei de msurare alese sau experienei operatorului care nu este prea familiarizat cu aceasta tehnologie. De exemplu, dac operatorul seteaza densitatea gridului (rezoluia) mai mare dect precizia de msurare a instrumentului, atunci sunt generate extra-zgomote care influeneaz negativ msurtorile iar timpul rezervat procesrii va crete substanial. O alt posibil surs de erori ar putea fi alegerea greit a sistemului de scanare. Alegerea unui sistem cu un domeniu maxim al distanei neadecvat cu distana maxim pn la obiectele care urmeaz a fi scanate, conduce la un produs al scanrii cu msurtori mai puin precise i posibile zgomote. Alte erori care intr n aceast categorie sunt cele generate n timpul fazei de registratie, acestea fiind funcie de tehnica utilizat la registratia norilor de puncte multipli. Un sistem de scanare laser are urmtoarele componente principale: unitatea de scanare, unitatea de control, sursa de energie, componenta software, sistemul inerial, sistemul de control al poziiei i accesorii. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 6 Unitatea de scanare, sau instrumentul propriu-zis este compus la rndul lui din: sistemul

de msurare a distanelor, sistemul de msurare al unghiurilor i sistemul de deflecie. Unitatea de control este de regul un calculator portabil cu ajutorul cruia este condus i controlat ntregul proces de scanare, de la alegerea parametrilor de scanare pn la stocarea datelor. Unele sisteme de scanare au memorie hard intern pe care sunt stocate datele iar controlul scanrii se realizeaz prin intermediul unei interfee de tip tastatur, ecran tactil. Legatura ntre unitatea de control i unitatea de scanare se realizeaza n diferite moduri: cablu, IP dinamic, IP static, wireless, etc. Sursa de energie necesar procesului de scanare este diferit n funcie de tipul unitii de scanare, n marea majoritate a cazurilor sistemele de scanare au acumulatori externi de mare capacitate, dar exist i acumulatori interni sau unitatea se poate cupla direct la sursa de curent din reea (220V). Componenta software este de obicei livrat de compania care produce unitatea de scanare. Softul este structurat pe module: modulul de control al scanrii, modulul de prelucrare al datelor (registratie), modulul de interpretate a datelor, modul de export al datelor. Sistemul inertial de navigatie (INS) este utilizat pentru orientarea, controlul i navigatia aeronavelor, vehiculelor, vapoarelor. Are posibilitatea de a oferi, cu precizie ridicat, date privind poziia, viteza i atitudinea obiectului. Sistemul este compus din dou seturi de trei senzori concepui pentru a msura forele specifice (acceleraii), precum i unghiurile de rotaie pe trei axe specifice zborului. Acceleraiile sunt msurate cu ajutorul accelerometrelor, iar rotaiile sunt msurate de giroscoape. Giroscopul este un senzor care msoar rotaia relativ. Exist mai multe tipuri giroscoape: electro mecanice, giroscoape cu fibr optic, giroscoape inelare cu laser. Combinarea sistemelor INS cu tehnologii GPS a dus la realizarea unui sistem de control i poziionare care poate fi utilizat n navigaia de precizie. Sistemul de contol al poziiei este format din unul sau mai multe instrumente care utilizeaz tehnologii GPS pentru determinarea poziiei punctelor.

Dintre accesoriile sistemelor de scanare, ele mai importante sunt: trepied, platforma de montare n cazul sistemelor de msurare n regim dinamic sau al sistemelor aeropurtate, inte de vizare, camere fotografice, camere video, cutii de transport, cabluri, etc. Marii productori de sisteme de scanare laser ncerca s in pasul cu avntul luat de utilizarea acestor tehnologii n diferite domenii de activitate cu ar fi topografie, construcii, ci de comunicaii, lucrri de art, arhitectur, criminalistic, medicin, construind sisteme ct mai accesibile i dedicate pe un anumit domeniu. n ultima perioad, fiecare producator pune la dispozitie 3-4 sisteme specializate pe un anumit domeniu, att la scananarea terestr ct i la scanarea aerian. Sistemele pentru acelai domeniu sunt destul de asemntoare, diferenele provenind mai mult din design, accesorii i soft de prelucrare i interpretare. Primele ncercri de utilizare a scanrii laser aerine i au rdcinile n anii 1935, din timpul celui de-al doilea rzboi mondial. Tehnologia se dorea a fi folosit iniial n scop militar, pentru realizarea i implementarea hrilor de navigaie, pentru bombardiere, n special. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunica Un succes important a fost realizat scanarea terenului cu un dispozitiv instalat cu laser rotativ care scana terenul sub un unghi de la 3 la 22 grade n plan vertical i n plan orizontal. Prototipul a fost folosit pe tot parcursul r ncepnd cu anii 1970, odat sistemelor de navigaie inerial spectaculoas. Astzi, aceste tehnologii sunt folosite curent fi: cartografie, sisteme informatice geografice, c fondului silvic i al apelor, hri de risc Laser Scanerul Aerian ( Pmntului, cu ajutorul unui echipament de scanare laser care tipuri de avioane i elicoptere. Acestea survoleaz zonele de interes colectnd laser i imagini. Principiul sistemului (figura teren sau de obiectele de pe teren. Partea reflectat este nregistrat de un senzor al sistemului

laser iar diferena de timp dintre transmiterea impulsului laser i reflecia lui de ctre sol ne d distana dintre un reper din avion nlimea avionului/elicopterului impulsului, astfel c se pot calcula cu precizie cele 3 coordonate ale La fel ca i la scanarea laser terestr adic msurarea timpului (de zbor) triangulaiei. Pentru msurare prismelor sau switch-uri de fibr n funcie de metoda de scanare, se pot asigura precizii diferite de pozi punctelor din teren. ionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunica 7 Un succes important a fost realizat n 1940 cnd Fortele Aeriene Americane, au reusit scanarea terenului cu un dispozitiv instalat n faa avionului. Sistemul era format dintr terenul sub un unghi de la 3 la 22 grade n plan vertical i Prototipul a fost folosit pe tot parcursul rzboiului de ctre aliai n scopuri militare. nd cu anii 1970, odat cu dezvoltarea tehnicii de poziionare global ial i tehnica scanrii laser aeriene a cunoscut o dezvoltare zi, aceste tehnologii sunt folosite curent i pe scara larg n diferite domenii, cum ar fi: cartografie, sisteme informatice geografice, ci de comunicaii, sisteme informatice specifice i de risc i de hazard. erian (ALS) este un sistem pentru msurarea punctelor pe suprafaa cu ajutorul unui echipament de scanare laser care poate fi montat pe mai multe tipuri de avioane i elicoptere. Acestea survoleaz zonele de interes colectnd (figura 1.1) este bazat pe energia reflectat i absorbit parial de teren sau de obiectele de pe teren. Partea reflectat este nregistrat de un senzor al sistemului laser iar diferena de timp dintre transmiterea impulsului laser i reflecia lui de ctre sol ne d avion/elicopter i punct vizat situat pe sol. Poziia, orientarea i elicopterului sunt cunoscute cu acuratee n momentul transmiterii impulsului, astfel c se pot calcula cu precizie cele 3 coordonate ale punctului de pe sol. la scanarea laser terestr, principiile de msurare a distane a timpului (de zbor) (TOF) i msurarea diferenei de faz, mai putin principiul msurarea unghiurilor exista aceleai metode: oglinzi oscilante, rota uri de fibr optic. ie de metoda de scanare, se pot asigura precizii diferite de pozi

ionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii Fortele Aeriene Americane, au reusit a avionului. Sistemul era format dintr-un scaner terenul sub un unghi de la 3 la 22 grade n plan vertical i 25 de grade scopuri militare. ionare global i dezvoltarea e a cunoscut o dezvoltare diferite domenii, cum ar ii, sisteme informatice specifice surarea punctelor pe suprafaa poate fi montat pe mai multe tipuri de avioane i elicoptere. Acestea survoleaz zonele de interes colectnd: date GPS, date este bazat pe energia reflectat i absorbit parial de teren sau de obiectele de pe teren. Partea reflectat este nregistrat de un senzor al sistemului laser iar diferena de timp dintre transmiterea impulsului laser i reflecia lui de ctre sol ne d situat pe sol. Poziia, orientarea i cunoscute cu acuratee n momentul transmiterii punctului de pe sol. distanei sunt aceleai, , mai putin principiul i metode: oglinzi oscilante, rotaia ie de metoda de scanare, se pot asigura precizii diferite de poziionare 3D a Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 8 Pe lang sursele de erori menionate la scanarea laser terestr: erori instrumentale, erori legate de forma i natura obiectului scanat, erori datorate mediului n care se efectueaz scanarea, erori metodologice, la sistemele de scanare laser aeropurtate mai intervin: erori de poziionare cinematic, erori de poziie IMS i GPS. Precizia de poziia cinematic i inertial este funcie de mai muli factori, cum ar fi geometria sateliilor, factorul DOP, refracii multipath, erorile de orbit ale sateliilor, erorile receptorarelor GPS de la sol, erorile datorate atmosferei (ionosfera i troposfera), dinamica aeronavei, precum i capacitatea post-prelucrare a componentei software. Sistemul Laser Scaner Aerian integreaz mai multe sisteme high-tech ntr-un echipament

complex, descris n cele ce urmeaz: A. Platforma de zbor Sistemul se poate instala pe avioane uoare sau elicoptere adaptate special la condiiile necesare ridicrilor de precizie. Avioanele sau elicopterele sunt dotate cu platforme pentru montarea senzorului laser i a sistemului video, de asemenea au senzori speciali de control a stabilitii i control al direciei de zbor. B. Componentele instalate la bordul platformei de zbor b1. Sistemul de poziionare Sistemul Laser Scaner ncorporeaz cel putin dou receptoare GPS (dubl frecven L1/L2) pentru asigurarea preciziei de poziionare a elicopterului sau avionului la un moment dat. Receptoarele nregistreaz att unda purttoare ct i corecii difereniale de la fiecare satelit sau corectii n timp real. Astfel se obine o precizie ridicat (post-procesare) a poziiei punctului msurat. b2. Sistemul de orientare a aparatului de zbor Este compus din sistemul de msurare inerial, care determin instantaneu unghiurile aparatului ruliu (roll), tangaj (pitch) i giraie (heading), cu o rat de 200 mrimi pe secund, precum i acceleraia aparatului de zbor. b3. Sistemul Laser Este un sistem capabil de a acoperi o band cu limea ntre 15 i 175 m. Fiecare scanare furnizeaz 200 de msurtori, acoperind un sector de 60 de grade. Fiecare nregistrare scanat conine timpul, orientarea laserului, informaii despre verificarea i corecia datelor i informaii despre intensitatea semnalului, ceea ce formeaz imagini n infrarou pentru vizualizare ulterioar. b4. Sistemul Video Sistemul Laser Scaner este echipat de obicei cu dou camere video digitale color, de nalt rezoluie, avnd 750 linii orizontale i un cip (senzor) CCD. Imaginile sunt nregistrate pe benzi SVHS. O camer este orientat n jos, cuplat cu laserul iar a doua camer este fixat ntr-o poziie oblic i astfel suplimenteaz imaginile obinute de prima. Timpul calculat exterm de precis este

ataat fiecrui cadru video, imaginea corelndu-se astfel cu datele laser. C. Componentele software: c1. Software de procesare a datelor de teren La sfritul fiecrei zile de lucru, zborul platformei este pre-procesat, verificat i transpus ntr-un fiier specific care conine informaiile despre orientarea aparatului de zbor, de la sistemul IMS i informaii despre poziia aparatului la un moment dat, preluate de sistemul GPS. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 9 n timpul pre-procesrii se execut controlul calitii datelor pentru a corespunde specificaiilor proiectului i a elimina discontinuitile datelor. Se definesc iniial proiecia orizontal, parametrii de modelare i unitile de msur. c2. Software de post-procesare n scopul calculrii coordonatelor X, Y, Z din datele furnizate de sistemele GPS de orientare a platformei aeriene i sistemul de scanare laser, ca i pentru a extrage informaii utile din acestea, se folosesc sisteme de procesare a datelor specifice fiecrui productor. Sistemul Laser Scaner mpreun cu soft-ul de prelucrare are faciliti CAD extinse i coreleaz imaginile video cu datele laser, obinnd o spectaculoas prezentare multi-media a zonei survolate. Exist facilitatea de a vizualiza i ortorectifica imaginile video, aceasta ducnd la mbogirea informaiile obinute. d. Software de prelucrare i interpretare: d1. Prezinta interfa utilizator intuitiv, fiind o aplicaie tip Microsoft Windows, deci interfaa respect standardul Windows; d2. Include modul de transformare a a datelor pentru orice Datum i include diferite tipuri de proiecii. Componenta vertical a datelor se poate converti din elipsoidal n ortometric, folosind diverse modele de geoid i informaiile aferente zonei de lucru ; d3. Norul de puncte contine aproximativ 7000000 puncte pe kilometru scanat i furnizeaz multe posibiliti de interpretare dintre care amintim: d31. Colorarea dup nlime: punctele colectate sunt dispuse ntr-o schem de culoare ce permite vizualizarea formelor ce au relief ; d32. Colorarea dup intensitate: obiectele i formele ce nu au relief se deosebesc asfel dup intensitatea refleciei ;

d33. Profile tranversale i longitudinale ; d4. Permite extragerea de informaii 3D despre poziia oricrui obiect sau form ce apare vizualizat. Utilizatorul extrage informaia ca i cum ar desena peste fundalul prezentat pe ecran. Se pot defini un numr nelimitat de obiecte desenate, de straturi care pot fi definite i colorate dup dorin. Toate caracteristicile extrase i menin toate informaiile originale disponibile; d5. Are o schem eficient dei sofisticat de ataare de atribute. Fiecare strat (layer) conine obiecte desenate care includ puncte, linii, polilinii i grupuri sau colecii de puncte, linii i polilinii. Fiecare clas a unui obiect are propriile seturi de atribute definite de utilizator, la rndul lor, atributele avnd un numr nelimitat de valori predefinite. Acurateea datelor obinute folosind sisteme de scanare laser este dat i de platforma pe care sunt amplasate. Aparatele de zbor folosite, fie ele avioane uoare sau elicoptere, trebuie s aib ncorporate mai multe tehnologii de control a poziiei i vitezei n timpul zborului. Acestea sunt absolut necesare la post-procesarea datelor msurate. Unul dintre cele mai importante sisteme este INS (Inertial Navigation System) care include senzori pentru controlul poziiei, orientrii, direciei i a vitezei platformei de zbor. Acest sistem elaboreaz parametrii de navigaie fa de un anumit sistem de referin. Componentele pe care acest sistem le controleaz sunt ruliu (roll), tangaj (pitch) i giraia (heading). Aceste componente sunt specifice zborului, ele induc cele mai mari erori n colectarea datelor. Determinarea poziiei i vitezei unui vehicul prin prelucrarea informaiilor referitoare la acceleraia acestuia constituie aa-numita metod inerial de navigaie. Principial, navigatorul inerial este alctuit din instrumente destinate msurrii componentelor acceleraiei i calculatoare electronice specializate care elaboreaz parametrii de navigaie fa de un anumit sistem de referin. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 10

Prelucrarea msurtorilor obinute n urma scanrii laser presupune mai multe etape: registraie, procesarea norului de puncte, post-procesare, modelarea 2D i 3D i obinerea produselor finale. Fiecare dezvoltator de sisteme de scanare laser terestre sau aeropurtate a dezvoltat unul sau mai multe programe de prelucrare a datelor care au n mare parte aceleai caracteristici, micile diferene apar n funcie de caracteristicile lucrrilor pentru care au fost create. Pachetele de programe dezvoltate pentru prelucrarea informaiilor preluate cu sisteme de scanare laser pot fi mprite n trei categorii : 1. pachete de programe utilizate pentru sisteme de scanare statice conin modul de registraie i modul de interpretare. Exemple: SceneVision-3D, produs de 3rdTech Inc., Bentley CloudWorx, produs de Bentley Systems Inc., Faro Scene, produs de Faro Technologies, ISiTE Studio produs de I-SiTE, Cyclon produs de Leica, RiSCAN PRO i Phidias produs de Riegl, RealWorks Survey produs de Trimble Navigation, LFM Modeller produs de Z+F; 2. pachete de programe utilizate pentru sisteme de scanare dinamice pe lng modulele de registraie i de interpretare, trebuie s conin module de prelucrare a informaiilor de poziie GPS i a informaiilor de la platforma inerial. Exemple : I-SiTE Studio produs de I-SiTE, RiSCAN PRO i Phidias produs de Riegl, RealWorks Survey produs de Trimble Navigation ; 3. pachete de programe utilizate pentru sisteme de scanare aeriene conin n plus i modul pentru planificarea misiunilor de zbor. Exemple : Flip7 produs de Fugro, AeroOffice i WinMP produse de IGI, Fpes i Ascot, produse de Leica, Phidias produs de Riegl, RealWorks Survey produs de Trimble Navigation. SceneVision-3D este un soft att pentru controlul scanrii ct i pentru modelare a datelor, destinat att pentru nceptori ct i pentru utilizatorii experimentai. Softul combin navigare intuitiv n model cu o gam larg de vizualizri, modelare i funciile de analiz. Obinerea unei scene complete sau a unui obiect necesit adesea scanari din mai multe

locaii n scopul de a vedea toate feele unui obiect sau obiecte situate "n spatele" unui alt obiect, SceneVision ofer funcii care permit rapid i uor alinierea scanrilor pentru a produce un singur model. Aceleai funcii permit i referenierea fotografiilor digitale preluate de sistemul de scanare, pentru o mai bun analiz i interpretare a modelului obinut n urma scanrii. FARO Scene este un soft de nalt performan pentu modelarea 3D a norilor de puncte rezultai n urma scanrilor, recomandat pentru utilizatori experimentai. Este special conceput pentru vizualizare, administrare i lucru pe sisteme de scanare 3D de nalt rezoluie produse de FARO, oferind posibilitatea utilizatorului de manipulare a instrumentului de scanare i ulterior punnd la dispoziie funcii de registraie i analiz a norilor de puncte, vizualizare 3D i crearea de obiecte. FARO Scene ofer module speciale pentru aplicaii n: Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 11 arhitectur (FARO Architecture Package with Architectural Desktop) design (FARO Design Package with Geomagic Studio) specific pentru domeniul auto restaurarea obiectelor i obiectivelor de patrimoniu i a monumentelor (FARO Heritage Package) tunele (FARO Tunnel Package). Ofer utilizatorilor un instrument puternic pentru a controla tunelurile de toate formele, cu oportunitati nelimitate. Se pot proiecta tuneluri sau evidenia profilul real rezultat n urma scanrii. Datel pot fi vizualizate 3D individual, n seciuni transversale sau longitudinale, se pot efectua calcule de volum sau terasamente. De asemenea n timp real fa de un model teoretic, pentru o verificare rapid a pieselor tunelului, se pot afia direct comparaii de seciuni, distane. Linii de transport energie, telecomunicatii, conducte (FARO Process, Power & Piping) I-Site Studio este primul soft de prelucrare a norilor de puncte produs pentru platforma Windows 64 bii. Softul poate administra proiecte cu sute de scanri i milioane de puncte cu uurin, seturile de date mari pot fi eficient interogate, modelate i manipulate pe un PC

desktop sau laptop, transferul de date ntre proiecte fiind facil i rapid. I-Site Studio integreaz i gestioneaz date scanate cu diferite sisteme de scanare (I-Site, Leica, Optech). Are o puternic interfa grafica 3D care permite modelri pentru: industria minier (cariere), aplicaii de topografie i cartografie, ci de comunicaie (rutiere i feroviare). RiSCAN PRO este un soft orientat pe proiect, toate datele dobndite n timpul campaniei de msurare sunt organizate i stocate ntr-un singur proiect. Softul permite scanarea datelor, gestionarea coordonatelor punctelelor de control i controlul ntregului proces de registraie pentru a transforma datele scanrilor multiple i a le aduce ntr-un sistem de coordonate unic. n plus, n cazul n care scanerul este echipat cu aparat de fotografiat digital, fotografiile obinute sunt gestionate tot de RiSCAN PRO. RiSCAN PRO este conceput pentru a minimiza timpul de achiziie i prelucrare a datelor, oferind n acelai timp instrumente pentru inspecia vizual a integralitii datelor, permite scanarea automat a punctelor de control i ncorporarea n datele de scanare a coordonatelor acestora, ofera funcii puternice de post-procesare, structura proiectului este bazat pe protocolul XML care permite accesul la toate informaiile foarte uor. O exploatare complet a informaiilor 3D prin combinarea fotogrametriei digitale cu scanarea laser este posibil prin Phidias, un soft plug-in conceput pentru MicroStation. Aplicaia Phidias accept informaii att de la sisteme de scanare terestre statice ct i de la sisteme dinamice sau aeriene. Softul ofer toate instrumentele necesare pentru evaluri fotogrametrice combinate cu date din scanri laser profitnd de toate caracteristicile i facilitile 3D ale uni sistem CAD. Phidias permite importul proiectului original RiSCAN PRO, toate datele de calibrare i de orientare a imaginilor sunt preluate direct, de asemenea recunoate marea majoritate a formatelor de imagine care pot fi de asemenea importate n proiect refereniate i analizate

concomitent. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 12 Programul dezvoltat de FUGRO este compus din dou module unul pentru planificarea zborului i unul pentru prelucrarea informaiei preluate de la sistemele de poziionare i de la sistemul de scanare. Avantajul acestui pachet const n faptul c elimin erorile de prelucrare i interpretare a datelor msurate, care pot apare atunci cnd se folosesc pachete diferite de programe pentru preluare, interpretare i modelare. Produsul final rezultat n urma prelucrrii informaiilor preluate de la : sistemul GPS de la bord, sistemul IMU, receptoarele GPS de la sol, corecii difereniale i n urma registraiei este norul de puncte, puctele avnd coordonate tridimensionale ntr-un sistem unic de coordonate. Softul are rutine implementate de verificare a calitii datelor preluate, de filtrare a zgomotelor nregistrrilor, de eliminare a punctelor suplimentar preluate sau a punctelor foarte apropiate (exemplu : vegetaia, obiecte n micare la momentul scanrii). WinMP este un soft produs de IGI dedicat pentru ntocmirea planurilor i documentaiei privind intinerariul de zbor, este un sistem de control pentru CCNS(Computer Controlled Navigation System). Transferul de informatii de la CCNS la WinMP i invers se realizeaza rapid prin cablu sau infrarou. Toate informaiile pot fi stocate ntr-o baz de date i selecionate pe diferite categorii. Astfel, se realizeaza o organizare usoar a informatiei referitoare la imaginile video nregistrate, poziia de preluare a imaginilor, numele proiectului, zona de desfurare a acestuia, poziia zborului. Datorit programului modular, WinMP poate fi adaptat la cerinele utilizatorului, prin achizitionarea modulelor necesare. Softul este de sine stttor, nu necesit instalarea pe o alta platform. Softul are implementat o baz de date care conine hrti sub forma de imagini (*.bmp, *.tif, *.jpg) i hri digitale (*.dxf, *.shp). Parametrii necesari georeferenierii imaginilor se pot calcula

cu WinMP, aceste informaii pot fi folosite pentru a planifica zborurile dac zona se afla in baza de date. Baza de date cu care softul este livrat poate fi actualizat cu informaii obinute ulterior. Pachetul de programe EUPALINOS este soft dedicat exclusiv pentru rezolvarea tuturor obiectivelor topografice, de topografie inginereasc i geodezice, n domeniul construciei i modernizrii tunelelor. Acest soft constituie o component esenial a ITMS (Integrated Tunnel Monitoring System) care, n combinaie cu diferite componente hardware, ofer o soluie total la monitorizare, control i gestiune a tunelelor. EUPALINOS are multe funcii pentru gestionare i prelucrare a datelor pentru proiectare pornind de la informaiile furnizate de norul de puncte, modul de generare a profilelor, diagramelor i seciunilor, diferite funcii de analiz i control a elementelor cii de rulare i ale tunelului. Principalele activiti i produse ce se realizeaz i se obin cu softul EUPALINOS sunt: realizare plan de situaie; realizare seciuni transversale cu extragerea punctelor din profil; detrminarea axelor cii de rulare i a tunelului, control poziiei acestora fa de poziia proiectat, inclusiv realizarea diagramelor grafice; controlul gabaritelor de liber trecere; Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 13 urmrirea deformaiilor la intrados i comportarea n timp; ghidarea i programarea datelor pentru mainile de foraj; calculul volumelor de umplutur i sptur la proiectare i n execuie; vizualizarea datelor 2D i 3D; gestionarea difereniat a norului de puncte, n conformitate cu scopul urmrit; transferul de puncte de la i ctre staia total dac se execut msurtori combinate i n special pentru trasarea sau retrasarea diferitelor elemente relevee desfurate ale intradosului cu defecte, pe baza combinrii msurtorilor realizate cu sisteme de scanare laser, cu fotografii realizate cu camere digitale speciale. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 14 Ridicrile geodezice executate pentru lucrrile de topografie inginereasc mai ales cele

necesare realizrii i reabilitrii cilor de comunicaie, care se desfoar pe zone ntinse, ridic problema asigurrii preciziilor ridicate solicitate de proiectant, de asemenea o mare importan o are realizarea rapid a ridicrilor, n multe cazuri acest lucru fiind dificil din cauza configuraiei reliefului. O noua tehnologie, cea a sistemelor de scanar laser terestra i scanare laser de pe platforme mobile terestre sau aeroportate aduce un suflu nou ridicrilor geodezice. Ca i n cazul ridicrilor realizate cu alte tehnologii ridicrile utiliznd sisteme de scanare laser att terestr ct i de pe platforme aeropurtate se bazeaz pe reelele de ridicare pentru constrngerea msurtorilor ntr-un sistem de referin tridimensional. Rezultatele obinute prin aceste noi metode de ridicare sunt influenate de precizia i modul de realizare a reelei de ridicare. Realizarea reelelor de ridicare pentru a utiliza sisteme laser de scanare presupune urmtoarele abordri: realizarea prin metode clasice independent de procesul de scanare realizarea utiliznd sistemul de scanare n momentul scanrii realizarea prin utilizarea tehnologiei GPS independent de procesul de scanare realizarea prin utilizarea tehnologiei GPS n timp real n momentul scanrii Ca i n cazul msurtorilor utiliznd staii totale, tehnologii GPS, camere fotogrametrice, sau senzori de teledetectie, la scanarea laser, n momentul n care se efectueaz msurtori asupra unui obiect, se urmrete ca poziia acestuia s fie definit att planimetric ct i altimetric fa de acelai sistem de referin, n aa fel nct s existe acele legturi matematice i fizice reciproce ntre obiect i reea i ntre obiectul respectiv i celelalte obiecte din jur. Modul de alctuire i dezvoltare al reelelor de sprijin pentru ridicri utiliznd tehnologia de scanare laser, specifice topografiei, depinde de: tipul sistemului se scanare laser folosit; precizia necesar apriorii scopului urmrit; mrimea suprafeei teritoriului care urmeaz a fi ridicat; densitatea i natura detaliilor care intereseaz; scara planului de situaie care rezult n urma ridicrii. n cazul ridicrilor necesare proiectrii sau reabilitrii cilor de comunicaii, ridicrile

sunt de tip band, cu limea de aproximativ 100 m i lungimi mari, din aceast cauz tipurile de reele care se preteaz sunt reelele liniar-unghilare (msurtori eterogene) i reele poligonometrice. n cazul ridicrilor necesare reabilitrii tunelelor, reelele de ridicare devin i reele de retrasare ale elementelor ci de rulare, la realizarea lor trebuie s se in seama de particularitile specifice acestui domeniu: relieful zonei, acces, tipul tunelului, etc. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 15 Determinrile folosind tehnologii GPS difer esenial de cele geodezice clasice prin aceea c sunt ndependente (n sensul c nu este necesar vizibilitatea ntre staii). Din acest motiv, tehnicile de proiectare difer substanial, particulariti exist i n modul de procesare a datelor, rezultnd unele simplificri n ceea ce privete conformaia reelei. O planificare optim a utilizrii tehnologiei GPS trebuie s ia n considerare civa parametri importani, ca de exemplu: configuraiile figurilor staie-satelii, numrul i tipul receptoarelor pentru msurtori, aspecte economice etc. Spre deosebire de proiectarea reelelor clasice, la care meninerea unei bune configuraii geometrice necesit ample studii ale vizibilitii, pentru reelele GPS geometria i lungimea laturilor nu au o mare importan. Pentru reele de dimensiuni mari, realizate pentru scanri cu sisteme dinamice sau aeriene, mai ales dac se utilizeaz multe receptoare, planificarea efecturii msurtorilor GPS se poate face asistat de calculator, pe baza unor programe special destinate. Sistemele GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sunt sisteme de poziionare tridimensional bazate pe msurtori cu ajutorul semnalelor radio transmise de sateliii unor sisteme de poziionare global: NAVSTAR-GPS (SUA), GLONASS (Rusia), GALILEO (viitor sistem European). n urma prelucrrii observaiilor GNSS rezult poziia staiei n coordonate carteziene (X, Y, Z) sau elipsoidale (latitudine, longitudine i cot elipsoidal). Sistemele GNSS realizeaz n principal determinarea informaiilor legate de poziia, viteza i momentul de timp, ale unui receptor static sau n micare, situat pe suprafaa terestr sau n

apropierea acesteia. Principiile de determinare ale acestor parametri sunt bine cunoscute azi, bazndu-se n principal pe msurtori de pseudodistane cu ajutorul codurilor modulate pe semnalul satelitar, al fazei undelor purttoare sau a variaiei acestor mrimi (msurtori Doppler). n prezent, sistemul GPS este alctuit din sateliii blocurilor II, IIA i IIR. Pentru utilizatori exist dou moduri de a accesa serviciile de poziionare GPS i anume: Serviciul de Poziionare Standard (Standard Positioning Service - SPS) i Serviciul de Poziionare Precis (Precise Positioning Service PPS). SPS se bazeaz pe codul C/A ( Course/Acquisition) numai pe frecvena L1, iar PPS se bazeaz pe codul P (Precise Code) transmis pe ambele frecvene L1 i L2. Avnd n vedere criptarea introdus pentru modul PPS pentru sateliii din blocul II, IIA i IIR, ca metod de restricionare a accesului, SPS este singura opiune utilizabil n orice moment pentru marea majoritate a utilizatorilor civili. Pornind de la aspecte similare privind realizarea unor reele de staii GNSS permanente n ri avansate economic i n Romnia, sub tutela A.N.C.P.I, s-a realizat i pus n funciune Serviciu Naional de Monitorizare a Staiilor GNSS Permanente (SNM-SGP). n prezent, la nivelul ANCPI este cristalizat o concepia coerent de realizare a unei Reele de control GNSS n Romnia, care s asigure cerine maxime de precizie i ncredere pentru o reea spaial (3D). Pornind de la aceast reea de referin se vor constrnge reelele de control pe orizontal, astfel nct i acestea s se apropie de precizia obinut n reelele de control GNSS Reelele de control GNSS tridimensionale sunt reelele de referin spaial (3D) realizate cu ajutorul poziionrii utiliznd Sisteme de Navigaie Global cu Satelii (GNSS Global Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 16 Navigation Satellite Systems). n Romnia avantajele majore ale acestor reele de control sunt furnizate de determinarea unor poziii 3D ntr-un sistem de coordonate unic (pentru planimetrie

i altimetrie), precizia relativ ridicat obinut (520mm) i posibilitatea de determinare a unor vectori spaiali cu lungimi de zeci de kilometri fr cerine de vizibilitate. Dezavantajul major al acestor reele de control este datorat sistemelor de referin utilizate, care sunt referite la un elipsoid geocentric (WGS84, GRS80) care nu coincide cu cel aflat n vigoare n prezent la noi n ar (Krasovski). Pentru cerinele curente i de perspectiv ale Geodeziei, Topografiei, Topografiei inginereti, Cadastrului, SIG (Sisteme Informaionale Geografice) .a., s-a proiectat i realizat o Reea Naional de Staii GPS Permanente (RN-SGP). O staie GPS permanent ndeplinete n principal trei funcii: detectarea i urmrirea automat a sateliilor; nregistrarea, stocarea i analiza calitativ automat a datelor; comunicarea cu exteriorul (beneficiari, alte staii permanente, etc.). n acest moment exist n Romnia un numr de 73 de staii permanente pe baza crora s-a pus la dispoziia utilizatorilor serviciu Rompos. Rompos este un sistem de determinare a poziiei care include urmtoarele servicii: Rompos DGNSS, Rompos RTK i Rompos Geo pentru aplicaii postprocesare i o precizie de poziionare sub 2 cm. Rompos Geo poate fi folosit cu succes la realizarea reelelor de ridicare pentru utilizarea de sisteme de scanare laser n regim static, la poziionarea vehicolului cnd se utilizeaz sisteme de scanare n regim dinamic i la poziionarea platformei de zbor atunci cnd se folosesc sisteme de scanare aeriene. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 17 Construciile subterane constituie componente eseniale ale infrastructurii lumii contemporane. Tunelele feroviare i rutiere reprezint punctele cele mai sensibile ale cilor de comunicaii, care deservesc economiile naionale i schimburile internaionale. Metroul este recunoscut ca sistem de transport indinspensabil n marile aglomerri urbane. Tunelele pentru ci de comunicaii reprezint fr ndoial categoria cea mai reprezentativ a construciilor subterane datorit valorii, dimensiunii i rolului economic i social. Cele mai importante aspecte legate de gestionarea tunelurilor sunt: durata de via,

durata de serviciu, durata normal de functionare, etc. Tunelul este ansamblul urmtoarelor elemente componente: mediul nconjurtor, sistemul de cptueli, sistemul de etanare, sistemul de evacuare a apelor, sistemul cii de rulare, sistemul de echipamente i instalaii. Meninerea tunelurilor la parametrii funcionali, n cursul exploatrii lor, presupune desfurarea urmtoarelor activiti: crearea, meninerea i exploatarea unei bnci de date a tunelului ct mai cuprinztoare, realizarea de lucrri de ntreinere i reparaii, realizarea de lucrri de modernizare. Specific pentru tuneluri este dificultatea cunoaterii reale a strii tehnice, datorit urmtorilor factori: nu se poate orbserva i urmrii dect intradosul i elementele de cale, documentele de arhiv, n special la tunele vechi, nu permit cunoaterea modului de dimensionare i de realizare a cptueli, nu este posibil s se cunoasc cu precizie rezistena unei cptueli mai mult sau mai puin degradat. Lucrrile de modernizare ale tunelelor au de asemenea un specific aparte deoarece importanta lor nu poate fi estimat cu precizie numai pe baza unor studii preliminare, execuia lor este dificil, datorit specificului i condiiilor de realizare. Tunelul este construcia subteran destinat crerii unei legturi ntre dou puncte desprite de un obstacol (munte, curs ap, ora, etc.), n scopul instaurrii unei posibiliti de transport sau comunicaie. O clasificare a tunelurilor se poate realiza: dup scopul pentru care se construiesc sau destinaie, dup locul unde se construiesc, dup modul de dezvoltare n plan, dup poziia fa de creasta masivului strbtut, dup poziia fa de suprafaa terenului, dup modul de execuie, dup forma n profil transversal . Accesul cii de comunicaie ctre tunel se face prin intermediul unor tranee de acces care pot fi lungi i mrginite de ziduri de sprijin sau scurte i susinute de aripi. n figura 4.1 sunt prezentate elementele caracteristice unui tunel n plan longitudinal. La capetele tunelului se realizeaz dou elemente constructive numite portaluri care au rol de Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 18

preluare a mpingeri masivului n sens longitudinal, ct i rol estetic, avnd o realizare arhitectonic care se ncadreaz cu mediul nconjurator, de asemenea portalurile fac legatura ntre tunel i transeele de acces. Tunelul propriu-zis este alctuit din elemente constructive numite inele a cror lungime depinde de natura rocilor strbatute i de metoda de execuie utilizat. Aripa este elementul de legtur al tunelului cu pereii traneelor de acces, se execut din beton sau zidrie. Axa tunelului este axa de simetrie n plan vertical a seciuni utile a tunelului, pentru tunelurile de cale ferat n aliniament coincide cu axa ci de rulare, pentru tunelurile n curb axa tunelului difer de axa cii de rulare pentru a asigur ncadrarea gabaritului. Niele (refugiile) sunt amenajri speciale, executate n afara gabaritului i servesc att la adpostirea muncitorilor care lucreaz la ntretinerea cii de comunicaie, ct i pentru depozitarea materialelor necesare unor reparaii locale. Niele se dispun alternativ, pe de o parte i de alta a cii de comunicaie, la o distan de cel mult 50 m n lungul tunelului. 1 1 2 3 5 4 2 6 1 - aripa, 2 portal, 3 inel, 4 nisa, 5 put de ventilatie, 6 axa tunelului Puul de ventilaie este o construcie special, vertical, n form de co, amplasat n axa tunelului sau lateral, cu scop de aerisire i ventilaie ntre interiorul tunelului i exterior. n figura 4.2 sunt prezentate elementele caracteristice unui tunel n profil transversal. Intrados este conturul interior al cptuelii tunelului sau a seciunii libere la tunelurile far cptueala. Seciunile transversale la tunele pot fi de diferite tipuri: de tip potcoav, circular, dreptungiular. n cazul tunelurilor de cale ferat simpl cel mai des utilizat este seciunea de tip potcoav.

Seciunea util interioar sau gabaritul de circulaie(de liber trecere) este conturul geometric transversal liber, n plan vertical, perpendicular pe axa longitudinal a cii de rulare, n interiorul cruia, afara de mijloacele de transport pe calea respectiv nu se admite s patrund nici o parte a construciei sau a instalaiilor fixe ale tunelului. Gabaritul de circulaie trebuie s respecte prevederile standardelor n vigoare pentru fiecare cale de circulaie. Radierul este elementul construit dintre fundaiile tunelului pe care se sprijin calea de rulare. Ele pot fi drepte sau sub forma de bolt, din beton, beton armat sau zidrie de piatr. Barbacana este orificiul transversal realizat prin fundaii, n scopul evacurii apelor provenite din infiltraii din spatele cptuelii. Banchina, element din beton, executat deasupra fundaiilor i radierului pn la nivelul ci de rulare sau mai sus, amplasat de o parte i de alta a ci de rulare, servete pentru circulaia personalului de ntretinere i pentru amplasarea diferitelor instalatii ale tunelului. Cptueala este elementul construit care asigur susinerea conturului escavat i reprezint seciunea liber de exploatare a tunelului. Cptuelile pot fi monolite, prefabricate sau cu dou componente, una prefabricat exterioar i una monolita interioar sau dou monolite. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 19 Extradosul reprezint suprafaa exterioar a cptuelii i face legatura tunelului cu mediul nconjurator. Bolta este partea superioar a cptueli la nivelul intradosului, cota acestui element fiind important n cazul modernizrii tunelurilor (electrificarea liniei). 1 2 3 4 8 11 13 7 9 12 56 10 14 15

1 fundaie, 2 canal de evacuare ape, 3 radier, 4 barbacana, 5 banchin, 6 cale de rulare, 7 ax tunel, 8 intrados, 9 naterea bolii, 10 cptueal, 11 extrados, 12 calot, 13 saltea de piatr, 14 bolt, 15 gabarit Deplasarea este distana cu care axul tunelului se deplaseaza fa de axul CF spre interiorul curbei. Ea se calculeaz n functie de nclinarea gabaritului datorit supranlrii cii i de raza curbei. n faza de exploatare, gestionarul de tunel trebuie s asigure meninerea n parametrii funcionali a tunelului, pentru aceasta el se sprijin pe totalitatea cunotinelor despre tunel, acumulate n timp, care constituie banca de date sau dosarul tunelului. Datele despre tunel se culeg: nainte de nceperea construciei (studii topografice, geologice, geotehnice, etc.), n timpul construciei, n timpul exploatrii (relevee, investigaii, reparaii, etc.). Principalele componente ale bncii de date pentru tunele sunt: date generale, date asupra execuiei lucrrii, date despre mediul nconjurator, date asupra terenului, date asupra strii tehnice, metode de investigare, stabilirea diagnosticului. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 20 La realizarea bncii de date pentru tuneluri particip specialisti din diferite domenii: inginerii de ci de comunicaii, rezisten, hidrotehnic, geotehnic, geologie, geodezie. Acetia, pe lng progamatori, analiti i informaticieni, i aduc aportul la realizarea i actualizarea informaiilor despre tuneluri. Intervenia specialitilor din domeniul geodeziei este la datele asupra strii tehnice a tunelului, aceste informaii putnd fi culese doar prin msurtori. Informaiile rezultate sunt apoi analizate de specialiti feroviari care pot lua o decizie n cunotin de cauza privind necesitatea interveniilor la tunel, amploarea acestor intervenii, implicaiile interveniei asupra traficului i nu n ultimul rnd asupra costurilor i posibilitailor de finanare. Aceste informaii se culeg periodic, calendarul investigaiilor este fcut de gestionarul tunelului i const n: realizarea profilului longitudinal al axului ci de rulare, ntocmirea

releveului desfurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente, verificarea gabaritului tunelului prin realizarea de relevee transversale executate ntodeauna n aceleai seciuni. Profilul longitudinal se execut n lungul axului ci de rulare, la scri standard 1:100, 1:200 i 1:500 pentru lungimi i 1:10, 1:20, 1:50, pentru nlimi. Pe lng elementele cunoscute ale profilului longitudinal, plan de referin, distante pariale, cote, exist i elemente specifice cum ar fi: kilometrajul cii, tipul inelului, lungimea inelului, cote NTS, numrul inelului, etc. Necesitatea verificrii gabaritului este justificat de posibilitatea deformrii cpuelii n timp, sau a deplasrii pe orizontal i vertical a ci de rulare, care pot conduce la nenscrierea gabaritului de circulaie i la accidente destul de grave. Releveul desfurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente reprezint piesa cea mai important n aciunea de colectare a datelor privind tunelul. Acesta se execut la scrile 1:100, 1:200 i 1:500 n funcie de dimensiunile tunelului i d o imagine sugestiv asupra defectelor i evoluiei lor n timp, constituind un element esenial n stabilirea diagnosticului tunelului. Msurtorile pentru releveele transversale se execut o dat la doi ani, pentru tunele fr probleme sau la intervale mai mici, stabilite de gestionarul tunelului, pentru tunelurile cu evoluii majore n timp. Ele se execut ntodeauna n aceai seciune pentru a putea fi comparate ntre ele, se pot executa i n seciuni noi, care vor fi reluate ulterior, dac situaia din teren cere acest lucru. Pentru fiecare etap de msurtori se execut o fi de msurtori pentru gabarit care conine: numrul inelelor, poziia n kilometri a seciuni n care se realizeaz msurtorile, anul executrii msurtorilor, etc. Msurtorile i tehnicile de msurare sunt diferite i au cunoscut o permanent mbuntire. S-a pornit de la pantografe i prjini, iar n zilele noastre msurtorile se execut cu staii totale i tehnologii de scanare laser.

Realizarea unei bazei de date pentru tuneluri, asociat cu un mediu CAD aduce avantaje incontestabile i uurin n manipularea datelor, ct i n procesul decizional privind interveniile la tunel. Avantajele cele mai importante sunt: uurina cu care se realizeaz planul desfurat al tunelului, se poate evidenia evolutia defectelor, informatiile sunt stocate pe categorii i tipuri, exist posibilitatea editarii planurilor la scri diferite n funcie de necesiti, posibilitatea de suprapunere facil a releveelor i profilelor pentru vizualizarea diferitelor fenomene i diferene, posibilitatea de analiz automat pe diferite criterii cum sunt defectele liniare, defecte plane (zone umede, zone cu exfolieri). Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 21 Conturul intradosului tunelelor nu are o geometrie regulat n raport cu axa proprie, iar axa cii ferate nu este dispus simetric n raport cu axa tunelului. Forma intradosului este influenat de deficientele execuiei, de mpingerile terenului i de degradrile cptueli n timp. Seciunea util interioar a unui tunel, delimitat de intradosul cptuelii, este obinut prin msurtori i apoi verificat. Verificarea se face dup urmatoarele criterii: gabaritul de referin al materialului rulant, toleranele materialului rulant, ale cii de rulare i ale construciei, spaiul suplimentar pentu cintre, catenar, instalaii, etc. nfurtoarea interioar a tuturor profilelor transversale ale intradosului, n raport cu axa cii este definit ca debueul tunelului. Debueul tunelului poate fi modificat ca urmare a lucrrilor de ntretinere a cii de piatr spart. Aceste lucrri de nreinere a ci de piatr spart au caracter obligatoriu i repetitiv, cea ce duce la acumulri succesive, la deplasri transversale ale axului cii de rulare n plan i la ridicri ale niveletei n profil longitudinal, de la civa milimetri pn la zeci de centimetri. Aceste deplasri i ridicri reduc debueul tunelului, chiar dac structura este stabil, punnd n pericol ncadrarea gabaritului. Gabaritul de liber trecere standard este

impus de STAS-4392, este funcie de: raza curbei R, supralrgirea spre exteriorul curbei Se, supralrgirea spre interiorul curbei Si, supranlarea inei exterioare h i sporul distanei ntre axele inelor Sc, valorile acestor elemente se extrag din tabelele. Tunelurile n curb sunt cele mai expuse modificrilor de aceast natur, n special prin deplasri transversale spre interiorul curbei. Tunele n curb prezint i o particularitate, care const n necesitatea unei dezaxri a axei tunelului fat de axa cii, ctre interiorul curbei, cu o valoare funcie de raza curbei, pentru a asigura o nscriere corect a gabaritului de circulaie, acest lucru face i mai dificil meninerea unui debueu stabil. Pentru tunelele n curb, devierile traseului n plan sunt mult mai probabile, necesitnd verificri ale debueului mai frecvente i deasemenea lucrri de retrasare a axului cii de rulare, de retrasare i realiniere a niveletei. Pentru verificarea debueului tunelelor se parcurg urmtoarele etape: realizarea releveelor transversale ale intradosului la rosturile dintre inele (figura 4.3); realizarea profilului longitudinal cu stabilirea cotelor NST n dreptul seciunilor transversale msurate; poziionarea gabaritului n fiecare seciune; stabilirea unei noi nivelete care s satisfac mai bine condiiile de exploatare (decliviti mai putine, grosime minim a prismei de piatr spart); raportarea noilor cote ale niveletei pe releveele transversale; determinarea succesiv a poziiei gabaritului prin translaii dreapta stnga; retrasarea axului cii n interiorul culoarului stabilit; raportarea noului ax i repozitionarea final a gabaritului. N SS - ax tunel - ax CF proiectat - ax CF existent N ST Gs G d NSS - nivelul superior al sinei NSS - nivelul superior al traversei G s, G d - distanta intrados gabarit T - dezaxare axa tunel - axa C F C Fp C Fp T

- dezaxare axa CF proiectat axa C F existent Figura 4.3 Releveu intrados la rosturi Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 22 Pentru definirea elementelor prezentate mai sus, n teren se execut ridicri topografice de precizie asupra axului cii de rulare, axul tunelului, cote NST la rosturile dintre inele, profil longitudinal, profile transversale la rosturi. Pe planul de situatie (figura 4.4) se transpun axa tunelului, axul cii de rulare existent, axul ci de rulare proiectat. Pe axa ci de rulare existente se suprapun gabaritele de liber trecere. Se calculeaz dezaxarea t dintre axul tunelului i axul ci de rulare n fiecare profil i CFp (dezaxarea ntre axul existent al cii de rulare i axul proiectat al cii de rulare). Dac soluia de reabilitare propune un ax al cii diferit de cel proiectat se calculeaz i CFa (dezaxarea ntre axul existent al cii de rulare i axul cii propus). De asemenea, se calculeaz distanele orizontale minime ce separa gabaritul de intradosul tunelului, Gd (gabarit dreapta), Gs (gabarit stnga). PORTAL NI TRARE PORTAL EI S RI E KM..... +. ....... KM..... +. ....... INELE 12345 AX CF EXISTENT PLAN DE SITUATIE SCARA 1:200 AX TUNEL AX CF PROIECTAT CFp T T CFp Toate aceste date se centralizeaz n tabele utilizate ulterior la retrasarea axului cii de rulare (tabel 4.1).

Km Rost inele T [mm] Gd [mm] Gs [mm] CFp [mm] CFa [mm] 42+982.38 PI/1 42+993.50 1/2 ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 23 Lucrrile de proiectare i construcii-montaj, ntr-un numr tot mai mare de domenii, sunt nerealizabile fr utilizarea tehnicii msurtorilor geodezice, ca i a tehnicilor speciale din construcii. Utilizarea metodelor de msurare geodezice n domeniul msurtorilor inginereti efectuate n diverse ramuri ale construciilor presupune, pe lng asigurarea cerinelor de precizie, alegerea aparatelor i tehnologiilor corespunztoare. Aceast alegere este impus att de calculele preciziei "a priori" (necesare sau teoretice) pornind de la o abatere maxim admisibil dat ct i de cunoaterea tehnologiilor de execuie i montaj. Fiecare etap de realizare ale unei ci de comunicaie presupune lucrri topografice specifice, la care n contextul proiectrii unor ci de comunicaii moderne precizia efecturii msurtorilor topografice este extrem de ridicat. n acest context, un rol important revine lucrrilor geodezice i topografice necesare modernizrii lucrrilor de art aferente cilor de comunicaii. Din multitudinea de tipuri de lucrri de art specifice cilor de comunicaii se disting n mod deosebit tunelele, construcii cu caracter special prin complexitatea soluiilor de proiectare, a dificultilor n timpul execuiei dar i prin necesitatea existenei unor programe speciale de ntreinere, urmrire n timp i modernizare pe perioada exploatrii.

Pornind de la aceste considerente, am ales pentru Studiul de caz al Tezei de Doctorat o aplicaie referitoare la aportul lucrrilor geodezice i topografice n faza de exploatare a unui tunel, faz care presupune n egal msur ntreinerea, urmrirea comportrii n timp i modernizarea unei astfel de lucrri de art. Tunelul Balnaca este situat pe linia C.F. Cluj - Oradea, ntre staiile de cale ferat Bratca uncuiu, Km 598+930.00 599+203.50, pe teritoriul judeului Bihor. Tunelul este situat la aproximativ 50 km de oraul Oradea, poziionat la deschiderea vii Criului Repede spre cmpie, ntr-o zon de contact ntre prelungirile munilor Apuseni i Cmpia BanatoCrian. Tunelul are o lungime de 273,50 m i a fost construit de MAV (Magyar llamvasutak), societate feroviar din Ungaria, ntre anii 1870-1871. n profil longitudinal linia n tunel este n: ramp 8,0. n plan, linia n tunel este n curb, cu raz continu de 280 m, racordat la ieirea din tunel (spre Oradea) cu contracurb. nlimea ntre NST i cheia bolii n tunel este de 6.80 m. n seciune longitudinal: 2 portaluri (portal intrare L=3.60m i portal ieire L=3.60m) i 53 de inele cu lungimea cuprins ntre 4,00 i 8,00 m. n seciune transversal tunelul prezint 6 tipuri de seciuni. Lucrri auxiliare: n interior: 10 nie amplasate alternativ stnga/dreapta; canal evacuare ape lateral dreapta. La exterior: intrare: arip din moloane pe stnga i arip i zid de sprijin din moloane pe dreapta; ieire: arip din moloane pe dreapta. Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 24 Reeaua de ndesire este compus din ase puncte: patru puncte determinate prin tehnologii GNSS n perioada 2008 2009, n scopul derulrii lucrrilor topografice necesare realizrii proiectului de modernizare a cii ferate pe tronsonul Braov Oradea; dou puncte determinate strict pentru realizarea lucrrii care face obiectul acestui Studiu de caz, prin msurtori cu staia total, puncte materializate cu pichei metalici.

Reeaua de ridicare a fost proiectat ca o drumuire sprijinit la capete pe puncte de coordonate cunoscute, innd cont de: condiiile din teren (tunel n curb), vizibiliti restricionate, zona de lucru ngust, traficul feroviar, faptul c msurtorile ulterioare vor fi efectuate att clasic ct i cu sisteme de scanare laser terestr. Avnd n vedere aceste considerente, reeaua de ridicare s-a proiectat astfel: puncte de ndesire: 611, 612, 9000, 9001; punctele 107 si 108 poziionate n dreptul portalelor de intrare/ ieire la aproximativ 3 m de portal, pentru a asigura orientarea la scanarea laser terestr; punctele 101, 103, 104, 105, 106 amplasate n interiorul tunelului, n dreptul nielor, de o parte i de alta a axului tunelului, materializate cu pichei metalici; Msurtorile pentru determinarea coordonatelor punctelor de detaliu (elemente geometrice cale de rulare, nivelul superior al inei, nivelul superior al traversei), sau efectuat cu o staie total de tip Sokkia (de ultim generaie). Punctele de detaliu au fost alese conform temei emise de proiectantul de specialitate: n profil transversal la portal intrare/ieire, 30 puncte n profil; cte dou profile transversale pe cele trei seciuni diferite ale tunelului, la ogive, 30 puncte n profil; puncte din 10 n 10 metri, n profil longitudinal pentru calea de rulare, pat de piatra spart, banchin, prelungite 200 m n amonte i aval de portale; puncte caracteristice la intrare/ieire din tunel, zid de sprijin, anuri, copaci, etc. Sistemul de scanare laser L-KOPIA/LKO este un sistem conceput special pentru scanri la calea ferat, att pe timp de zi ct i pe timp de noapte, n general, n condiii de vizibilitate sczut, (figura 5.1). Este folosit n America de Nord, Europa i Australia nc din 1993. n acest moment exist 35 astfel de sisteme n ntreaga lume, din care unul n Romnia, la Regionala CF Braov. Sistemul este dotat cu un scaner rotativ (la 360 grade), msurarea distanelor avnd la baz principiul msurrii timpului (time of flight TOF). Este capabil s genereze seciuni transversale n mod dinamic (sistemul n

micare, cu o vitez constant) sau n mod static (sistemul poziionat n puncte caracteristice). Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 25 Utilizeaz un sistem de coordonate cu axa X perpendicular pe axul cii, axa Y pe nlime i axa Z pe direcia de deplasare, care este de fapt kilometrajul cii. n cazul tunelului Balnaca s-a executat o scanare n regim dinamic pornind de la portal intrare km 598+930.00 pn la portal ieire km 599+203.50, deci n sensul de cretere al kilometrajului, cu viteza de 10 km/or i 6 scanri statice la portal intrare km 598+930.00, la km 599+014.00 i km 599+015.00 (zon de schimbare a seciunii tunelului seciunea se mrete), km 599+111.00 i km 599+112.00 (zon de schimbare a seciunii tunelului seciunea se micoreaz), portal ieire km 599+203.50. Sistemul de scanare laser SCANSTATION 2 (figura 5.2) produs de Firma Leica este un sistem de scanare terestr, care se utilizeaz cu predilecie n regim static de msurare, ce poate fi folosit la o gama mare de lucrri n Topografia Inginereasc cum ar fi: Documentaii n ingineria civil; Managementul construciilor; Industrie (platforme industriale reproiectare / construcie); Monitorizarea structurilor n diverse domenii ale industriei; Construcii subterane (tunele, galerii,etc.); Mine, Geologie (exemplu: analiza stocurilor / volumelor); Documentaii pentru instalaii tehnice (industria petrochimic, centrale termice, centrale nucleare); Arhitectur, Arheologie, restaurarea situ-rilor istorice; Monitorizarea dezastrelor; Aplicaii n realitatea virtual; Documentaii tehnice pentru domeniul criminalisticii, reconstituirea locului accidentelor de circulaie, etc.; Planuri urbane (2D, 3D); Instrumentul utilizeaz pentru msurarea distanelor principiul msurrii timpului (time of flight TOF), pentru msurarea unghiurilor principiul cu oglinzi oscilante, are un cmp de scanare de 360o n plan orizontal i vertical.

Scanrile la tunelul Balnaca s-au realizat sub forma unei drumuiri sprijinite la capete, sa staionat i scanat din punctele 611, 101, 103, 104, 105, 106 i 612, s-au utilizat trei prisme de vizare de forma circular (de tip Leica). Scanrile s-au realizat independent din fiecare staie, la rezoluia de 10 cm la 50 m, cu baleerea (scanare fin) la final a intelor aezate pe trepied sau baston cu trepied de fixare, la rezoluia de 2 mm la 50 m. Pentru o bun identificare a intelor de vizare (prismelor) n norul de puncte, s-au realizat poze n staiile 611 i 612 (la exteriorul tunelului), n interiorul tunelului din cauza iluminrii nu s-au putut realiza poze (tunelul nu are sistem de iluminare). S-a ales Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 26 modul de scanare target all ce presupune scanare la 360o att n plan vertical ct i n plan orizontal. n urma scanrii s-au obinut fiiere cu norul de puncte n sistem local de coordonate, orientat dup regula minii drepte: axa X pe direcia degetului mare, axa Y pe direcia degetului arttor i axa Z pe direcia degetului mijlociu. Dup cum s-a mai menionat, pentru realizarea dezideratului prezentului Studiu de caz sau efectuat trei tipuri de msurtori. Fiecare dintre aceste metode de msurare poate conduce la rezolvarea problemelor tehnice solicitate de proiectantul de specialitate i poate livra produse specifice (topografice) care s constituie suportul pentru proiectarea lucrrilor de modernizare a tunelelor i a construciilor de art de acest tip. Diferena ntre aceste metode, pe care doresc s o evideniez pe parcursul acestei lucrri, const ntr-o serie de parametrii referitori la: particulariti de proiectare a reelei de ridicare; durata efecturii lucrrilor de teren; numrul de puncte colectate; avantaje i dezavantaje ale celor trei abordri; precizia de determinare a punctelor caracteristice ale detaliilor topografice necesare; uurina la obinerea de produse specifice; Prelucrarea msurtorilor executate cu mijloace clasice de msurare (staia total) s-a efectuat cu programul Sipreg i s-au obinut coordonatele 3D att pentru punctele de staie ct i

pentru fiecare punct radiat. n cazul scanrii n regim dinamic, msurtorile s-au prelucrat cu softul productorului, LKOPIA. Problema dificil este de a determina poziia sistemului de coordonate al fiecrui cadru (frame) la momentul scanrii, deoarece softul aduce punctele preluate ntr-un cadru pe o seciune perpendicular pe direcia de deplasare (kilometrajul cii) i la mijlocul intervalului de nregistrare setat. Coordonatele 3D ale punctelor preluate au fost ncadrate n Sistem de proiecie Stereografic 1970 i Sistem de referin Marea Neagra 1975 (la cererea proiectantului de specialitate) pe baza poziiei 3D a punctelor determinate anterior pentru axului cii de rulare, cunoscndu-se poziia de plecare, cea de sosire, poziii intermediare, timpul de parcurgere, viteza de deplasare. n urma prelucrrii msurtorilor s-au obinut seciuni transversale din metru n metru. Prelucrarea msurtorilor executate cu ScanStation 2 s-au efectuat cu softul Cyclone v. 6.0 produs de Leica Geosystems i dedicat n exclusivitate procesrii msurtorilor efectuate cu acest sistem de scanare. Prelucrrile n cazul scanrilor laser din mai multe puncte presupune asamblarea norilor de puncte obinui n fiecare punct de staie, care au coordonate ntr-un sistem local al instrumentului. Aceast operaiune poart denumirea de registraie. Registraia sau georeferenierea, cnd se vorbete de un sistem de coordonate unic (naional n acest caz), reprezint procesul de combinare a rezultatelor din diferite poziii ale scanerului laser sau transformarea acestor rezultate ntr-un sistem de coordonate comun, Perfecionri ale lucrrilor topografice i geodezice n domeniul cilor de comunicaii 27 pentru ca norul de puncte rezultat n urma ntregii operaiuni de scanare s poate fi utilizat la definirea obiectului sau a zonei scanate, ntr-un sistem unitar. n cazul tunelului Balnaca, innd cont de preciziile necesare la determinarea poziiei 3D a punctelor, s-a ales registraia bazat pe inte de vizare, aceasta fiind cea mai precis metod de

registraie. Pentru comparaia i controlul registraiei, s-au aplicat dou metode de registraie pe inte. Prima metod a presupus introducerea, cu ajutorul interfeei de control a scanrii, pentru fiecare staie de scanare a urmtoar