Negrila F. C. Aurel - Rezumat

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI DEPARTAMENTUL PENTRU STUDII DOCTORALE

Domeniul Inginerie Civilă, Specializarea Geodezie, Fotogrammetrie, Cartografie şi Teledetecţie

Facultatea de Geodezie Departamentul de Topografie şi Cadastru

TEZĂ DE DOCTORAT

CONTRIBUŢII LA PERFECŢIONAREA TEHNOLOGIILOR GEODEZICE DE

ACHIZIŢIE, PRELUCRARE ŞI INTERPRETARE A DATELOR SPAŢIALE ÎN

ZONE DE HAZARD ŞI RISC

REZUMAT

Conducător ştiinţific, Doctorand,

Prof. univ. Dr. Ing. Johan Asist.univ. Ing. Aurel Florentin NEUNER Cătălin NEGRILĂ

Bucureşti 2013

'//,/./,4/./././././/////.////,//.

UNTvERSTTATEA TEHNICA oB coNsrRUCTIr BUCURE$TITECHNICAL UNIVERSITY OF CIVL ENGINEERING

OF BUCHARESTBd. LACUL TEt 124 * Sect. 2 RO-72302 * Bucharest 38 ROMANIA

T el. :+40 - 1 -242. 1 2.08, Te1 /Fax : +40 - 1 -242.07 .8 1

RECTORAT * B+22fs4.os qo/i

Domnului/Doamnei,

Vd facem cunoscut cd in ziua de 03.10.2013, ora 12,00 in in Sala Multimedia, Facultatea deGeodezie, Bdul. Lacul Tei nr. 122-124, sector 2, cu titlul:,,CONTRIBUTII LAPERFECTIONAREA TEHNOLOGIILOR GEODEZICE DE ACHIZITIE, PRELUCRARE $IINTERPRETARE A DATELOR SPATIALE iN ZOwS DE HAZARD f/fi/SC", elaboratd de ing.NEGRIL{ I. Aurel - Florentin - Cdtdlin, in domeniul fundamental "$tiinle inginereSti", domeniulde doctorat "Inginerie civild", cu urmdtoarea componen{6:

PnrgrorNrn: P r of. u n iv. dr. in g. D umitr uONOSE

Decan - Facultatea de Geodezie a

Universitdlii Tehnice de Construc{ii BucurestiCoNoucAroRDEDOCTORAT:

Prof, univ. dr. ing. I o han]YEUNER

Rector - Universitatea Tehnicd de ConstrucliiBucureSti.

RnrnnrNlIOFICIALI:

Pr of, u niv. dr. in g, P etr e-Iuliu DRAGOMIR

Universitatea Tehnicd de ConstrucliiBucureSti.

Prof,univ.dr.ing. DunRADUCANA

Academia Tehnicd Militard

C o nf, u n iv. dr. in g. C arm e nGRECEA

Universitatea,, Politehnica " din Timiqoara.

Yd trimitem rezumatul tezei de doctorat, cu rugdmintea de a ne comunica in scris, tn doudexemplare, aprecierile Si observaliile dumneavoastrd pdnd la data de 02.10.2013, pe adresa$COALA DOCTORAL.i a Universitdlii Tehnice de Construclii BucureSti, din Bdul. Lucul Teinr. 122 - 124, sector 2, BucureSti.

Vd invitdm cu acest prilej sd participali la suslinerea publicd a tezei de doctorat.

RECTOR,

SECRETAR $EF UNIVERSITATEIohan NEUNERProf.univ.dr.

Prof.univ RECE

CONTRIBUȚII LA PERFECȚIONAREA TEHNOLOGIILOR GEODEZICE DE ACHIZIȚIE, PRELUCRARE ŞI INTERPRETARE A DATELOR SPAȚIALE ÎN ZONE DE HAZARD ŞI RISC 2013

I REZUMAT

CUPRINS TEZĂ

CUPRINS I LISTĂ FIGURI IV LISTĂ TABELE IX INTRODUCERE X

I. STADIUL ACTUAL AL MONITORIZARII TERENURILOR SI CONSTRUCTIILOR ÎN ZONELE DE HAZARD ŞI RISC

1

I.1. HAZARD ŞI RISC, NOȚIUNI DE BAZĂ, DEFINIȚII ŞI CLASIFICĂRI 1

I.2. CADRUL LEGISLATIV 5

I.3. METODE GEODEZICE FOLOSITE LA MONITORIZAREA ZONELOR DE HAZARD SI RISC 8

II. METODE STATISTICE PENTRU DETERMINAREA DEFORMAȚIILOR 20

II.1. MODELE STATICE 20

II.2. LOCALIZAREA DEFORMAȚIILOR 28

II.3. ELEMENTE INVARIANTE DE COMPARAȚIE 33

III. APARATURĂ ŞI SOFTWARE FOLOSITE LA EXECUTAREA, PRELUCRAREA ŞI INTERPRETAREA MĂSURĂTORILOR EFECTUATE ÎN ZONELE DE HAZARD ŞI RISC

42

III.1. APARATURĂ GEODEZICĂ FOLOSITĂ LA MONITORIZARE 42

III.2. MATERIALIZAREA PUNCTELOR FOLOSITE LA MONITORIZARE 58

III.3. SENZORI NEGEODEZICI 65

III.4. SOFTWARE UTILIZAT LA MONITORIZARE 75

IV. PROPUNERI DE PERFECȚIONARE A METODELOR DE ACHIZIȚIE, PRELUCRARE ŞI INTERPRETARE A DATELOR PRELUATE CU TEHNOLOGIA SCANARII LASER TERESTRE

85

IV.1. SURSE DE ERORI ÎN SCANAREA LASER 85

IV.2. REFLECTANȚA OBIECTELOR SUPUSE MONITORIZĂRII 86

IV.3. DETERMINAREA DEFORMAȚIILOR TEORETICE FOLOSIND METODA ELEMENTULUI FINIT 89

IV.4. ALGORITMI DE SIMPLIFICARE A POLYLINIILOR 93

IV.5. GENERAREA SUPRAFEȚELOR DE TIP MESH 99

V. UTILIZAREA TEHNOLOGIEI SCANARII LASER TERESTRE LA ACHIZIȚIA, PRELUCRAREA ŞI INTERPRETAREA DATELOR SPAȚIALE DIN ZONELE DE HAZARD ŞI RISC ANTROPOGEN

103

V.1. UTILIZAREA SCANERULUI LASER LA MONITORIZAREA CONSTRUCȚIILOR SUPUSE ÎNCERCĂRILOR STATICE

103

V.2. UTILIZAREA SCANĂRII LASER TERESTRE LA MONITORIZAREA PARAMENTULUI AMONTE A UNUI BARAJ DE GREUTATE DIN ANROCAMENTE

112

CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI CONCLUZII GENERALE 138 BIBLIOGRAFIE 143

Cuprins rezumat

Cuprins teză ICuprins rezumat IIntroducere 1I. Stadiul actual al monitorizarii terenurilor si constructiilor în zonele de hazard şi risc 1II. Metode statistice pentru determinarea deformaţiilor 1III. Aparatură şi software folosite la executarea, prelucrarea şi interpretarea măsurătorilor efectuate în zonele de hazard şi risc

1

IV. Propuneri de perfecţionare a metodelor de achiziţie, prelucrare şi interpretare a datelor preluate cu tehnologia scanarii laser terestre

2

V.Utilizarea tehnologiei scanarii laser terestre la achiziţia, prelucrarea şi interpretarea datelor spaţiale din zonele de hazard şi risc antropogen

2

V.1. Utilizarea scanerului laser la monitorizarea construcţiilor supuse încercărilor statice 2 V.2. Utilizarea scanării laser terestre la monitorizarea paramentului amonte a unui baraj de greutate din anrocamente

5

Concluzii generale 14Bibliografie 15


1 REZUMAT

INTRODUCERE Teza de doctorat prezintă aspecte teoretice şi practice privind monitorizarea

construcţiilor supuse încercărilor statice (poduri) şi a construcţiilor supuse regimului de exploatare curentă (baraje), aducînd în prim plan posibilitatea utilizării tehnologiei scanării laser.

Aceste tipuri de construcţii trebuiesc continuu monitorizate pentru a putea fi eliminată în cel mai scurt timp posibilitatea apariţiei unor fenomene ce pot duce la dezastre.

În cazul construcţiilor supuse încercărilor statice confirmarea viabilităţii utilizării tehnologiei scanării laser este facută prin efectuarea concomitentă a măsuratorilor de nivelment geometric pentru a determina săgeata făcută de elementele construcţiei. Pentru al doilea tip de construcţii se arată posibilitatea utilizării tehnologiei scanării laser în cazul când tehnologiile clasice cunoscute nu mai pot fi aplicate datorită dispariţiei unor elemente constructive ale reţelei de monitorizare.

I. STADIUL ACTUAL AL MONITORIZARII TERENURILOR SI CONSTRUCTIILOR ÎN ZONELE

DE HAZARD ŞI RISC În capitolul 1 este prezentat stadiul actual al monitorizării terenurilor şi

construcţiilor în zonele de hazard şi risc. Sunt tratate noţiunile privind hazardul şi riscul, apoi este arătat cadrul legislativ care guvernează acţiunile ce trebuiesc luate pentru diminuarea dezastrelor şi în final sunt arătate metodele geodezice curente folosite la monitorizarea în timp a terenurilor şi construcţiilor.

II. METODE STATISTICE PENTRU DETERMINAREA DEFORMAȚIILOR

Al doilea capitol cuprinde metode statistice pentru determinarea deformaţiilor. Aceste metode sunt din ce în ce mai folosite, aplicaţiile de monitorizare dezvoltate în ultima perioadă având la bază suportul teoretic prezentat aici. Sunt prezentate modelele statice, cele mai folosite în prezent, metode de localizare a deformaţiilor, iar în ultima parte o abordare ce priveşte elemntele invariante de comparaţie.

III. APARATURĂ ŞI SOFTWARE FOLOSITE LA EXECUTAREA, PRELUCRAREA ŞI

INTERPRETAREA MĂSURĂTORILOR EFECTUATE ÎN ZONELE DE HAZARD ŞI RISC În capitolul 3 am realizat o sinteză a aparaturii şi aplicaţiilor folosite în mod

curent la realizarea şi prelucrarea măsurătorilor efectuate pentru monitorizarea zonelor de hazard şi risc. Sunt prezentate toate tipurile de staţii totale, nivele digitale şi receptoare GNSS, sisteme de scanare laser statice şi dinamice, sisteme laser tracker, sisteme de fotografiere, punând accent pe sistemele de mici dimensiuni, sisteme amplasate pe platforme satelitare, astfel acoperindu-se întreaga plajă de fenomene ce pot fi monitorizate, de la nivel local la cel global. A doua parte a capitolului este dedicată materializării punctelor folosite la monitorizare, arătându-se modalitatea de materializare conform standardelor în vigoare din România, metode proprii de materializare dezvoltate pentru lucrări realizate şi tipuri de materializare ce se găsesc pe plan internaţional. Partea a treia conţine prezentaţi diferiţi tipuri de senzori negeodezici, pornind de la instrumente de măsurare a crăpăturilor, la senzori de înclinare, nivele electronice şi clinometre, senzori din fibră optică, seimometre şi accelerografe, sisteme de verificare a aliniamentelor. În ultima parte a capitolului 3 sunt prezentate diferite aplicaţii folosite la monitorizare în timp real sau în mod postprocesare-analiză.


2 REZUMAT

IV. PROPUNERI DE PERFECȚIONARE A METODELOR DE ACHIZIȚIE, PRELUCRARE ŞI INTERPRETARE A DATELOR PRELUATE CU TEHNOLOGIA SCANARII LASER TERESTRE

Propunerile de perfecţionare a metodelor de achiziţie, prelucrare şi interpretare a datelor preluate cu tehnologia scanarii laser terestre se regăsesc în capitolul 4 unde sunt tratate sursele de erori datorare scanării laser, aspecte privind reflectanţa obiectelor monitorizate, modalităţi de folosire a metodei elementului finit la calculul deformaţiilor teoretice, diferiţi algoritmi de simplificare a polyliniilor şi modalităţi de generare şi comparare a suprafeţelor de tip mesh.

V.UTILIZAREA TEHNOLOGIEI SCANARII LASER TERESTRE LA ACHIZIȚIA, PRELUCRAREA ŞI INTERPRETAREA DATELOR SPAȚIALE DIN ZONELE DE HAZARD ŞI RISC ANTROPOGEN

Capitolul 5 este dedicat cercetării practice ce este compusă din două părţi şi se referă la utilizarea tehnologiei scanării laser terestre la achiziţia, prelucrarea şi interpretarea datelor spaţiale din zonele de hazard şi risc antropogen. Ambele părţi ale cercetării au fost efectuate în cadrul a două contracte realizate de Universitatea Tehnică de Construcţii din Bucureşti. Prima parte a cercetării este axată pe utilizarea scanerului laser la monitorizarea construcţiilor supuse încercărilor statice, iar a doua pe utilizarea scanării laser terestre la monitorizarea paramentului amonte a unui baraj de greutate din anrocamente.

V.1. UTILIZAREA SCANERULUI LASER LA MONITORIZAREA CONSTRUCȚIILOR SUPUSE ÎNCERCĂRILOR STATICE

Monitorizarea construcţiilor supuse încercărilor statice se face prin determinarea săgeţii efectuate de elementele structurale ale construcţiei, precum grinzi, stâlpi, plăci supuse unor solicitări verticale sau orizontale care provoacă încovoierea acestora.

Construcţia monitorizată, în cazul de faţă, este un pod rutier ce are suprastructura de tip grindă continuă, executată prin turnare în consolă, fiind alcătuit din trei deschideri: una centrală de 155 m şi două marginale de 77,5 m. Lungimea totală este de 310 m, iar lăţimea la partea superioară este de 14,75 m.

Figura V.1 – Construcţia studiată

Pentru a determina comportarea structurală a podului a fost făcută o analiză folosind metoda elementului finit utilizând diferite ipoteze de încărcare.

Pentru a testa construcţia se pot face încercări statice sau dinamice. Pentru încercarea statică se folosesc diferite dispozitive şi metode pentru determinarea săgeţilor. Din punct de vedere geodezic, pentru a determina deplasările pe verticală, se foloseşte cel mai adesea metoda nivelmentului geometric, măsurătorile efectuându-se cu instrumente de precizie ridicată. În cazul construcţiei monitorizate, au fost efectuate două seturi de măsuratori în septembrie 2011. Un set de măsurători a fost efectuat folosind metoda nivelmentului geometric de mijloc sau a porteelor egale, utilizând nivela electronică de tipul Topcon DL 101-C. Aceste măsurători vor fi folosite ca referinţă, cu ele comparând al doilea set de măsurători efectuate cu scanerul laser terestru Leica Scan Station 2.


3 REZUMAT

La încercarea statică asupra podului au fost utilizate 3 ipoteze de încărcare cu 12 camioane de 34 de tone fiecare, aşezate în convoi format din două şiruri paralele, una în deschiderea centrală iar celelalte două pe deschiderile marginale. În cele trei ipoteze au fost efectuate măsurători folosind metoda nivelmentului de mijloc.

Pentru a testa utilizarea tehnologiei scanării laser în ipoteza încărcării podului pe deschiderea centrală au fost efectuate măsurători şi cu laser scanerul terestru, fiind scanată doar zona deschiderii centrale.

Pentru a avea valori de referinţă au fost efectuate măsurători înainte de încărcarea construcţiei în cele trei ipoteze, aceasta fiind considerată etapa t0, următoarea etapă de măsurători efectuându-se în timpul încărcării pe deschiderea centrală.

În fiecare etapă, în cazul măsurătorilor nivelitice, au fost făcute citiri asupra unui număr de 43 de puncte, dintre care 4 dintre ele, amplasate la cele două capete ale podului au fost folosite ca puncte de referinţă, iar celelalte 39 amplasate pe structura podului (conform proiectului) au fost punctele obiect ce au fost folosite la calculul săgeţilor. Timpul în care au fost efectuate măsurătorile a fost intre 60 şi 75 de minute pentru fiecare etapă.

Diferenţele de nivel şi distanţele obţinute între puncte, în fiecare etapă, au fost prelucrate riguros folosind programul de prelucrare a datelor geodezice - SiPreG. Abaterea standard medie a reţelei compusă din cele 43 de puncte este de 0,1 mm în etapa t0 şi 0,3 mm în etapa t1, preciziile de determinare a cotelor punctelor încadrându-se în valoarea de minim 1 mm impusă în proiectul de încercare, performanţa aparatelor trebuind să acopere un domeniu de măsurare cu cel puţin 50% mai mare decât valoarea maximă aşteptată a deplasărilor.

Având la dispoziţie cotele compensate ale punctelor din fiecare etapă au fost calculate săgeţile şi comparate cu cele teoretice, date în proiect. Pentru comparaţie, mai departe am pastrat valorile aferente deschiderii centrale, pentru care au fost efectuate şi măsurători utilizând şi scanerul laser terestru.

Tabel V.1 – Săgeţi calculate în etapa „1” faţă de etapa „0”; Încărcare pe deschiderea centrală; Măsurători de nivelment

Punct Săgeată

calculată (cm) Săgeată

teoretică (cm) Diferenţa

(cm) C'1 0,0 -0,3 0,3 B'1 -3,3 -4,2 0,9 A1 -6,9 -8,2 1,3 B1 -3,3 -4,2 0,9 C1 0,0 -0,3 0,3

În cazul măsurătorilor utilizând scanerul laser terestru a fost aleasă metoda staţionării pe puncte de coordonate cunoscute pentru a efectua determinările în cele două etape, laser scanerul utilizat permiţând acest lucru, beneficiind şi de compensatorul pe două axe încorporat, fiecare măsurătoare (punct determinat) primind corecţia aferentă. Astfel măsurătorile din cele două etape au avut aceeaşi referinţă, nemaifiind nevoie de puncte multiple pentru a face georeferenţierea norilor de puncte şi aducerea lor în acelaşi sistem de coordonate.

În fiecare etapă a fost efectuată câte o staţie de scanare pentru a măsura deschiderea centrală. Staţia din care au fost efectuate măsurătorile a fost amplasată la circa 100 m de pod, măsurătorile în fiecare etapă durând circa 20 de minute. Dacă s-ar fi dorit măsurarea întregii construcţii măsurătorile ar fi durat circa 80 de minute. Dacă ar fi putut fi amplasat scanerul laser sub pod (lucru imposibil datorită existenţei


4 REZUMAT

apei), timpul ar fi putut fi redus la circa 60 de minute. Pentru fiecare etapă de scanare au fost determinate circa 500000 de puncte în zona deschiderii centrale.

Analiza primordială a datelor măsurate se face prin suprapunerea norilor de puncte din cele două etape de măsurare (figura V.2: cu verde norul de puncte rezultat în etapa t0, cu roşu norul de puncte rezultat în etapa t1).

Figura V.2 – Nori de puncte suprapuşi

La o primă analiză vizuală se pot observa diferenţele dintre punctele

determinate în cele două etape. În figura V.3 deplasarea în plan orizontal a punctelor scanate este datorată orientării iniţiale a scanerului dar şi datorită gridului de scanare ales, ce a fost diferit în cele două etape, pentru a vedea dacă acest lucru influenţează rezultatul final. Deplasarea în plan vertical este datorată încărcării podului.

Figura V.3 – Detaliu - nori de

puncte suprapuşi

Cea mai simplă modalitate de determinare a săgeţii este să se creeze secţiuni cu aceeaşi origine, prin cei doi nori de puncte, folosind software-ul Cyclone. Prima operaţie pentru obţinerea secţiunilor este crearea aliniamentului faţă de care se execută secţiunile. Pentru aliniament s-a ales axul transversal ce trece prin mijlocul podului, secţiunile fiind perpendiculare pe acesta.

Având secţiunile generate pentru cele două etape, se vor alege secţiuni comune pentru a determina săgeata. Determinarea se poate face în software-ul Cyclone, măsurând valoarea săgeţii în aceleaşi puncte în care a fost determinată şi la măsurătorile de nivelment geometric, sau la alte intervale pe lungimea întregii secţiuni. Rezultatele pot fi obţinute folosind şi alte programe de tip CAD, deoarece se pot exporta secţiunile generate în diferite formate.

În figura V.4 se arată valorile săgeţii măsurate, iar în tabelul V.2 comparaţia cu valorile teoretice.

În tabelul V.3 sunt calculate diferenţele dintre rezultatele obţinute în urma celor două măsurători. După cum se observă în tabel diferenţele dintre măsurători se încadrează în toleranţa de măsurate a scanerului laser, ceea ce confirmă viabilitatea folosirii acestei tehnologii.


5 REZUMAT

Figura V.4 – Măsurarea săgeţii

Tabel V.2 – Săgeţi calculate în etapa „1” faţă de etapa „0”; Încărcare pe deschiderea centrală; Măsurători cu scanerul laser

Punct Săgeată

calculată (cm) Săgeată

teoretică (cm) Diferenţa

(cm) C'1 0,5 -0,3 0,8 B'1 -3,8 -4,2 0,4 A1 -7,2 -8,2 1,0 B1 -3,8 -4,2 0,4 C1 0,5 -0,3 0,8

Tabel V.3 – Diferenţe dintre rezultatele măsurătorilor

Punct M1- Săgeată calculată (cm)

M2 - Săgeată calculată (cm)

Diferenţa (cm)

C'1 0,0 0,5 -0,5 B'1 -3,3 -3,8 0,5 A1 -6,9 -7,2 0,3 B1 -3,3 -3,8 0,5 C1 0,0 0,5 -0,5

V.2 UTILIZAREA SCANĂRII LASER TERESTRE LA MONITORIZAREA PARAMENTULUI AMONTE A UNUI BARAJ DE GREUTATE DIN ANROCAMENTE

Monitorizarea barajelor constituie un aspect important în asigurarea bunei funcţionări a acestora. Monitorizarea poate fi făcută pe mai multe paliere prin metode fizice sau geometrice (masuratori geodezice).

În cele ce urmează se va arăta modalitatea monitorizării unui baraj folosind tehnologia scanării laser terestre.

Acumularea Pecineagu este situata în zona superioara a rîului Dîmboviţa, în depresiunea dintre masivele Iezer-Păpuşa, Fagaraş şi Piatra Craiului (figura V.5).

Figura V.5 – Amplasarea acumulării Pecineagu


6 REZUMAT

Barajul Pecineagu, având înălţimea de 105 m, lungimea de 267 m la coronament şi lăţimea în secţiunea centrală de 360 m la bază şi 10 m la coronament, este realizat din anrocamente şi este etanşat cu mască de beton armat.

În urma exploatării barajului masca amonte a suferit deformaţii, valorile maxime fiind de circa 400 mm. Reparaţiile efectuate pe parcurs nu au reuşit să realizeze etanşarea măştii, şi astfel a fost aleasă soluţia acoperirii acesteia cu o membrană de tip Carpi (până la cota 1095 m). Această soluţie a dus la distrugerea reperilor de urmărire amplasaţi pe mască şi la imposibilitatea urmăririi în timp a acesteia folosind aparatura anterior utilizată. Soluţia, posibilă, ce a fost aleasă pentru efectuarea măsurătorilor asupra măştii, acoperită cu membrană, a fost utilizarea tehnologiei de scanare laser terestră.

Tehnologia scanării laser terestre permite măsurarea unui număr mare de puncte amplasate pe obiectul urmărit fără a fi nevoie, ca acestea să fie accesibile, ci doar vizibile.

Rezultatul măsurătorilor este reprezentat de o mulţime de puncte, ce definesc obiectul urmarit, numită în general “nor de puncte”.

Pentru determinarea coordonatelor (X, Y, H) punctelor din care a fost efectuată scanarea a fost folosită metoda nivelmentului geometric (determinări altimetrice - H) şi metoda triangulaţiei şi trilateraţiei (determinări planimetrice - X, Y).

Pentru determinarea coordonatelor planimetrice ale punctelor reţelei din care a fost efectuată scanarea laser terestră a fost folosită staţia totală Leica Builder 300RM, la determinarea cotelor punctelor a fost folosită nivela electronică de tipul Trimble DiNi 0.3, iar scanarea paramentului amonte a fost efectuată cu scanerul laser terestru Leica Scan Station 2, ce are precizia de determinare a poziţiei spaţiale a punctelor de ±6 mm la 50 m şi precizia suprafetelor modelate de ±2 mm.

În luna aprilie 2012 au fost făcute mai multe teste pentru a vedea dacă tehnologia scanării laser terestre poate fi aplicată în cazul paramentului amonte din plăci de beton acoperit cu membrană tip Carpi. A fost testat mai întâi la sediul Universităţii Tehnice de Construcţii din Bucureşti reflectivitatea membranei tip Carpi.

Acest lucru a fost făcut pentru a vedea dacă rezultatele obţinute în urma scanării de la distanţa de aproximativ 200 m (distanţă maximă la care se poate amplasa laser scanerul faţă de paramentul amonte conform planurilor existente) pot fi utilizate la generarea modelului 3D.

Deoarece laser scanerul Leica Scan Station 2 are domeniul maxim de măsurare între 134 m la o reflectivitate de 18% şi 300 m la o reflectivitate de 90% (conform specificaţiilor tehnice) a fost luat în considerare şi unghiul de incidenţă a undei laser făcut cu suprafaţa măsurată, deoarece cu cât acesta este mai ascuţit cu atât semnalul reflectat va fi mai slab. Culoarea membranei nu a fost un factor important deoarece reflectivitatea acesteia este ridicată. Au fost făcute măsurători asupra unei membrane de tip Carpi cu dimensiunile de 20 x 30 cm pentru trei cazuri ale unghiului de incidenţă:

- aproximativ 90°, fiind măsurate 3098 de puncte - figura V.6a - aproximativ 50°, fiind măsurate 784 de puncte - figura V.6b - aproximativ 20°, fiind măsurate 41 de puncte - figura V.6c

După cum se poate vedea din rezultatele măsurătorilor unghiul de incidenţă este un factor important ce trebuie luat în considerare, la proiectarea punctelor din care va fi efectuată scanarea laser terestră. Dacă factorul distanţă, reflectanţă şi unghi de incidenţă nu sunt corelate există riscul de a nu putea masura obiectivul propus din punctele de staţie proiectate.


7 REZUMAT

a) b) c)

Figura V.6 – Membrană scanată

Pentru găsirea locaţiilor optime pentru amplasarea scanerului laser terestru, pentru efectuarea măsurătorilor la acumularea Pecineagu, în luna mai 2012 au fost efectuate teste la faţa locului, fiind stabilite trei locaţii amplasate în amonte de coronamentul barajului la distanţe între 50 şi 160 m, care au un unghi de incidenţă bun faţă de paramentul amonte şi alte trei locaţii amplasate pe coronamentul barajului, care oferă unghiuri mici de incidenţă, dar permit acoperirea cu măsurători a zonelor omise din primele trei staţii.

Măsurătorile asupra paramentului amonte au fost efectuate în luna noiembrie 2012. Pentru a putea acoperi cu măsurători, de scanare laser terestră, paramentul amonte descoperit (cota apei 1052.4 m), au fost marcate cele şase puncte proiectate (SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6), a căror coordonate (X, Y, H) au fost determinate folosind metoda triangulaţiei şi trilateraţiei pentru planimetrie şi metoda nivelmentului geometric pentru altimetrie.

Aspecte din timpul efectuării măsurătorilor pot fi urmărite în figura V.7. Scanarea laser terestră a fost efectuată din punctele SW1, SW2, SW3, SW5 şi SW6. Scanarea în fiecare punct a durat aproximativ 25 de minute, în acest interval preluându-se mai întâi imagini panoramice ale zonei scanate, iar mai apoi efectuându-se scanarea efectivă a zonei şi înregistrarea ţintelor de vizare (figura V.8).

Figura V.7 – Aspecte din timpul efectuării măsurătorilor

Figura V.8 – Imagine panoramică, nor de puncte şi ţintă de vizare


8 REZUMAT

Pentru determinarea cotelor punctelor noi s-a folosit direct la teren aplicaţia BFFB, ce permite determinarea diferenţelor de nivel dintre puncte şi calculul cotelor acestora pornind de la puncte de cota cunoscută. Astfel s-a pornit de pe malul drept de la punctele RND117, RND117A şi au fost determinate diferenţe de nivel trecând prin punctele de cotă necunoscută închiderea (verificarea) făcându-se pe punctele T1, T2 amplasate pe malul stâng. Diferenţa dintre cotele determinate din măsurători şi cotele cunoscute s-a încadrat în toleranţele de măsurare, obţinînd astfel în final cotele punctelor noi.

Pentru determinarea coordonatelor planimetrice distanţele şi direcţiile orizontale măsurate au fost prelucrate riguros, folosind programul SiPreG, abaterea standard medie a reţelei fiind de 0.39 cm. Coordonatele planimetrice şi altimetrice determinate au fost folosite mai departe la georeferenţierea (aducerea în acelaşi sistem de coordonate) măsurătorilor efectuate cu laser scanerul.

Eroarea medie absolută la georefenţiere are valoarea maximă de 1 cm, rezultatul încadrându-se în limita de 2 cm acceptată de proiectantul construcţiei. Eroarea totală individuală ale punctelor variază între 0.2 – 1.0 cm, iar cea orizontală între 0.1 – 0.8 cm şi cea verticală între 0.1 – 0.6 cm. Un extras din rapoartele rezultatele în urma georeferenţierii se poate vedea în cele ce urmează, raportul conţine informaţii despre: eroarea medie absolută, erorile individuale ale punctelor, parametrii de transformare. Status: VALID Registration Mean Absolute Error: for Enabled Constraints = 0.004 m for Disabled Constraints = 0.000 m Database name : pecineagu2012-nov ScanWorlds Known Coordinates (Leveled) ScanWorld 2 (Leveled) ScanWorld 3 (Leveled) Constraints Name ScanWorld ScanWorld Type On/Off Weight Error Error Vector Horz Vert sw5 ScanWorld 2 (Leveled) ScanWorld 3 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.005 m ( 0.001, -0.001, 0.005) m 0.001 m 0.005 m sw6 ScanWorld 2 (Leveled) ScanWorld 3 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.004 m (-0.001, 0.002, -0.003) m 0.003 m -0.003 m sw4 Known Coordinates (Leveled) ScanWorld 2 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.005 m (-0.001, 0.005, 0.001) m 0.005 m 0.001 m sw5 Known Coordinates (Leveled) ScanWorld 2 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.003 m ( 0.002, 0.001, -0.002) m 0.003 m -0.002 m sw6 Known Coordinates (Leveled) ScanWorld 2 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.005 m (-0.001, -0.004, 0.003) m 0.004 m 0.003 m sw3 Known Coordinates (Leveled) ScanWorld 3 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.006 m (-0.003, -0.001, -0.005) m 0.003 m -0.005 m sw5 Known Coordinates (Leveled) ScanWorld 3 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.005 m ( 0.004, 0.000, 0.003) m 0.004 m 0.003 m sw6 Known Coordinates (Leveled) ScanWorld 3 (Leveled) Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.002 m (-0.002, -0.001, 0.001) m 0.002 m 0.001 m

Norii de puncte georeferenţiaţi au fost puşi cap la cap în acelaşi fişier, obţinându-se astfel modelul 3D nefiltrat al paramentului amonte ce conţine 2807094


9 REZUMAT

puncte. Următorul pas presupune filtrarea (eliminarea) punctelor ce nu aparţin zonei studiate obţinându-se modelul 3D filtrat, acesta conţinând după filtrare 2312922 de puncte (figurile V.9, V.10).

Figura V.9 – Modelul 3D filtrat, vedere dinspre amonte şi dreapta

Figura V.10 – Modelul 3D filtrat, vedere de sus şi stânga

Un ultim pas ce se face în gestionarea norilor de puncte este de a-i uni şi

uniformiza (figura V.11), obţinându-se modelul 3D final al zonei, el conţinând 1889076 puncte.

Figura V.11 – Unificarea norilor de puncte şi

obţinerea modelului 3D final

Modelul 3D final (nov 2012) poate fi gestionat în mai multe moduri putând genera din el secţiuni pe orice direcţie se doreşte, acestea putând fi comparate cu secţiuni generate pe aceleaşi direcţii pentru modele realizate la timpi diferiţi sau cu secţiuni generate din modelul teoretic. O altă modalitate de gestionare este realizarea unei suprafeţe de tip „mesh” (aceasta aproximează cel mai bine obiectul măsurat) pe întreg modelul sau pe părţi din acesta. Apoi prin suprapunere cu modelul teoretic sau suprafeţe de tip „mesh” generate la timpi diferiţi se pot observa deformaţiile.

Având fişierul cu coordonatele modelului 3D acesta poate fi importat în orice mediu CAD putând astfel genera secţiuni. Deoarece volumul de date este foarte mare, gestionarea lor este făcută eficient cu programe specializate instalate pe medii de calcul puternice. Dacă nu se dispune de resursele necesare, hardware şi software, o soluţie este ca secţiunile să fie generate din modelul 3D direct din aplicaţia Leica Cyclone, ce a fost folosită la achiziţionarea datelor din teren şi ulterior la prelucrarea acestora. Apoi secţiunile pot fi exportate individual sau grupate, fişierele rezultate fiind de dimensiuni reduse şi putând fi gestionate uşor.

Pentru modelul 3D al paramentului amonte au fost create două aliniamente (figura V.12) orizontale (la cota 1118 m) paralele cu axele de coordonate


10 REZUMAT

planimetrice (X, Y). Aliniamentul paralel cu axa OY, a fost ales astfel încât punctele prin care vor fi generate secţiunile să acopere întregul parament amonte de la un mal la celălalt iar aliniamentul paralel cu OX astfel încât secţiunile generate să acopere întreaga lungime a paramentului amonte.

Figura V.12 – Aliniamentele orizontale

Intervalul dintre secţiuni poate varia în funcţie de necesităţi. Pentru a nu avea

un număr foarte mare de secţiuni generate pe cele două direcţii a fost stabilit un interval de 10 m pentru aliniamentul OY şi 5 m pentru OX, limitele celelalte fiind astfel setate încât sa nu fie omise puncte din model.

Figura V.13 – Secţiuni generate pe aliniamente

Secţiunile pot fi gestionate uşor, folosind funcţiile implementate, putând fi

vizualizate, ajustate pe direcţiile stânga, dreapta, sus, jos şi adâncime, în funcţie de necesităţi. Pentru exportarea secţiunilor se poate folosi ca sistem de referinţă sistemul general al modelului sau un sistem propriu fiecărei secţiuni.

Generarea suprafeţelor de tip mesh se poate face pe tot modelul sau pe părţi din acesta. Aplicaţia Cyclone poate genera suprafaţa de tip mesh în trei moduri: basic meshing, complex meshing, TIN meshing. Primele două folosesc funcţii simple şi pot fi folosite doar pe modele compuse dintr-un singur nor de puncte, iar ultima modalitate foloseşte funcţii complexe bazate pe o reţea de triunghiuri spaţiale create conform algoritmului Delaunay, putând fi folosită pe modele compuse din mai mulţi nori de puncte. Pentru generarea suprafeţei de tip mesh pentru paramentul amonte a fost utilizată ultima opţiune (figura V.14).

Figura V.14 – Generarea suprafeţei de tip mesh (cu albastru)

Imperfecţiunile (goluri sau vârfuri) care apar la crearea suprafeţei de tip mesh,

datorită densităţii scăzute de puncte pe anumite zone, din cauza umbrelor la momentul scanării, datorită punctelor eronate generate de obiecte în mişcare la momentul scanarii, pot fi corectate cu instrumentele de editare ale modelului. Pentru


11 REZUMAT

eliminarea vârfurilor există posibilitatea de ştergere a acestora prin marcarea zonei, iar golurile rezultate sau existente sunt umplute prin interpolarea triunghiurilor situate cel mai aproape de zona cu defect.

Unul din avantajele folosirii suprafeţei de tip mesh este oferirea posibilităţii generării automate a curbelor de nivel (figura V.15), ce pot fi comparate cu situaţiile existente anterior.

Figura V.15 – Generarea curbelor de nivel

În urma testelor de la Pecineagu din luna mai 2012 a fost obtinut un model

iniţial (figura V.16) al paramentului amonte pentru care la momentul respectiv membrana Carpi era instalată până la cota de 1060 m, cota apei fiind de 1056.7 m.

Cele două modele (mai 2012 şi nov 2012) pot fi comparate pe baza elementelor (secţiuni sau suprafeţe de tip mesh) ce se pot determina aşa cum a fost descris la punctul anterior.

Figura V.16 – Modelul 3D, mai

2012

Compararea profilelor generate prin acelaşi aliniament poate fi făcută vizual în

aplicaţia Cyclone, unde se poate vedea diferenţa dintre profile. În figura V.17 cu verde avem profilele generate din modelul nov 2012 iar cu roşu profilele din mai 2012.

Figura V.17 – Profile suprapuse

Din suprapunerea acestora se pot observa zonele unde modelele se intersectează (alternativ roşu-verde) şi zonele unde un model este deasupra celuilalt (o singură culoare predominantă). În general pentru zonele cuprinse între cota 1056,7 m şi 1060 m şi între cota 1095 m şi 1117 m cele două modele se


12 REZUMAT

intersectează, acolo având aceleaşi elemente măsurate în cele două etape (zona paramentului acoperit de membrană - jos şi zona paramentului neacoperit - sus), diferenţele fiind datorate erorilor de măsurare. În zona dintre cotele 1060 m şi 1095 m modelul din nov 2012 este deasupra modelului din mai 2012, această zonă fiind acoperită în acest interval cu membrana Carpi. Un exemplu de valori determinate, în plan vertical, între cele două modele poate fi văzut în figura V.18, unde avem o diferenţă de 28 mm în zona plată şi 110 mm pentru zona canalelor despărţitoare.

Figura V.18 – Măsurarea diferenţelor dintre modele

în aplicaţia Cyclone

Se pot face comparaţii şi dacă se exportă secţiunile în alte medii CAD. De

exemplu în figura V.19 avem generate două profile, pentru care scara lungimilor este de 10 ori mai mică decât scara cotelor, aici putându-se observa mai clar diferenţa dintre cele două secţiuni. Valorile măsurate variază între 17 mm şi 30 mm pentru zona dintre două canale despărţitoare, iar pentru două canale despărţitoare consecutive valorile sunt de 104 mm respectiv 91 mm.

Figura V.19 – Măsurarea diferenţelor dintre modele în

mediu CAD

Lucrul cu secţiunile poate fi consumator de timp dacă nu se realizează automatizarea generării rezultatelor şi permite comparaţii doar pentru secţiunile generate prin acelaşi punct.

Dacă se doreşte compararea pe zone mai mari soluţia ar fi utilizarea suprafeţelor de tip mesh, dar pentru acest mod de lucru este nevoie de echipamente de calcul puternice şi aplicaţii specializate.

Compararea suprafeţelor de tip mesh poate fi făcută vizual (figura V.20) şi automat folosind funcţia de calcul a deviaţiei suprafeţei, această funcţie putând determina deviaţia faţă de un plan de referinţă sau dintre două suprafeţe.

Figura V.20 – Suprafeţele de tip mesh suprapuse


13 REZUMAT

Rezultatul cel mai apropiat de realitate este să se genereze direct curbe de nivel (figura V.21), acestea având valoarea zero la intersecţia suprafeţelor, semnul + dacă suprafaţa de referinţă este dedesubt şi – dacă suprafaţa de referinţă este deasupra.

Dacă sunt exportate în alt mediu de lucru curbele pot fi selectate independent putând-ule aloca câte o culoare pentru evidenţiere sau pot fi selectate grupate, alocând la cele de valoare zero o culoare şi la cele cu semnul + şi – alte două culori, aşa cum se poate vedea în figura V.22.

Figura V.22 – Curbe de nivel colorate diferit (albastru - curba de valoare 0, verde -

curbele de valoare pozitivă, roşu - curbele de valoare negativă)

Rezultate asemănătoare se obţin folosind o aplicaţie dedicată comparării norilor de puncte (CloudCompareV2 – figura V.23). Aceasta are avantajul ca este o aplicaţie opensource (gratuită) ce are implementaţi diverşi algortimi avansanţi ce permit lucrul cu norii de puncte. Se pot compara norii de puncte, suprafeţe de tip mesh generate de acesta, obţinându-se o hartă a deformaţiilor.

Figura V.23 – Determinarea deplasărilor

folosind aplicaţia CloudCompareV2

Figura V.21 – Curbe de nivel generate din

deviaţia dintre două suprafeţe de tip mesh


14 REZUMAT

Asemănător ca la utilizarea secţiunilor pot fi comparate şi curbele de nivel generate pentru fiecare suprafaţă de tip mesh în parte, rezultatele fiind similare (figura V.24), având în vedere că pentru această situaţie valorile sunt determinate în plan orizontal iar pentru secţiuni în plan vertical.

Figura V.24 – Măsurarea diferenţelor dintre curbele de

nivel

CONCLUZII GENERALE

Scopul tezei de faţă a fost să aducă în prim plan folosirea noilor tehnologii geodezice la monitorizarea zonelor de hazard şi risc antropogen.

Astfel au fost prezentate noile tendinţe de lucru din domeniul geodezic şi domenii adiacente, ce completează sau în unele cazuri pot suplini tehnologiile clasice deja consacrate.

Analizând toate datele obţinute în urma cercetărilor teoretice şi practice pot trage următoarele concluzii:

- Utilizarea noilor tehnologii la realizarea monitorizării zonelor de hazard şi risc antropogen trebuie luată în considerare deoarece acestea pot aduce mai multe beneficii decât tehnologiile clasice;

- Se pot culege un număr mare de date şi obţine rezultate finale într-un timp scurt;

- Dacă sunt respectate toate condiţiile propice de efectuare a măsurătorilor folosind tehnologia scanării laser terestre preciziile obţinute sunt de ordinul mm – cm;

- Un dezavantaj iniţial al tehnologiei scanării laser terestre este legat de costurile ridicate de achiziţie şi instruire, dar care ulterior se pot amortiza prin diminuarea timpilor în care se obţin rezultatele finale;

- Dacă sunt combinate diferite aplicaţii (unele deja achiziţionate) în obţinerea obţinerea rezultatelor finale o parte din costurile de achiziţie a aplicaţiilor specializate pot fi diminuate;

- Pentru cazul construcţiilor supuse încercărilor statice tehnologia scanării laser aduce un plus de informaţie, dar nu poate încă atinge nivelul de precizie obţinut prin folosirea metodei nivelmentului geometric de precizie;

- Dacă accesul pe obiectul monitorizat este imposibil atunci tehnologia scanării laser terestre poate fi folosită cu succes în obţinerea rezultatelor corecte;

- În cazul monitorizării paramentului amonte acoperit de membrana de etanşare tehnologia scanării laser este singura metodă viabilă, atâta timp cât paramentul este descoperit şi curăţat de resturile menajere;


15 REZUMAT

- În viitor metodele prezentate pot fi îmbunătăţite prin dezvoltarea aparaturii şi mărirea distanţei până la care se pot efectua măsurătorile în condiţii de precizie ridicată;

- Dacă sunt dezvoltate noi aplicaţii sprecializate ce vor avea costuri mai mici de achiziţie, se va permite mai multor utilizatori accesul la noile tehnologii.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

Carlos A. Felippa – Introduction To Finite Element Methods - Finite Element Discretization and the Direct Stiffness Method, Department of Aerospace Engineering Sciences, University of Colorado, 2004;

Dirk Gerrits, Rene Gabriels, Peter Kooijmans – A Survey of Mesh Generation Techniques, Department of Mathematics & Computer Science, Technische Universiteit Eindhoven, 2006;

Elmar de Koning – Polyline Simplification, http://psimpl.sourceforge.net; James M . Palmer – The measurement of transmission, absorption, emission,

and reflection, Optical Sciences Center University of Arizona, Tucson, Arizona; Martha VanGeem, CTL Group – Albedo of concrete; Michael Roy, Sebti Foufouy, Frederic Truchetet – Mesh comparison using

attribute deviation metric, International Journal of Image and Graphics, 2004; Nicolae Faur – Elemente finite – Fundamente; Nicolas Aspert, Diego Santa-Cruz, Touradj Ebrahimi – Mesh: Measuring errors

between surfaces using the Hausdorff distance, Proc. of the IEEE International Conference in Multimedia and Expo (ICME), Lausanne, Switzerland, 2002;

Negrilă Aurel – Raport de cercetare nr. 3 – “Propuneri de perfecţionare a metodelor de achiziţie, prelucrare şi interpretare a datelor preluate din zonele de hazard şi risc”, Facultatea de Geodezie, UTCB;

Negrilă Aurel, Onose Dumitru, Savu Adrian – The use of laser scanner to monitor land and buildings, publicat în Analele Universităţii din Oradea – Fascicula construcţii şi instalaţii hidroedilitare, vol XIII-2, Editura Universităţii din Oradea 2010;

Neuner Johan – Sisteme de poziţionare globală, Editura Matrixrom 2000; Petrescu Iordan – Metoda Elementului Finit, Note de curs CFDP, UTCB; Robert Charles Love – Surface Reflection Model Estimation from Naturally

Illuminated Image Sequences, School of Computer Studies The University of Leeds, 1997;

SORIN CIORTAN – Aspecte generale referitoare la analiza cu element finit; Sorin HERBAN, Cosmin MUŞAT, Mihaela STURZA – Aplicarea metodei

elementelor finite în cazul măsurării şi urmăririi deformaţiilor construcţiilor si ale terenului;

Contract UTCB/2011 – Încercarea statică şi dinamică a podului nr. 20, peste canalul Dunăre-Marea Neagră, amplasat pe autostrada A2, la km. 193+645;

Contract UTCB/2012 – Studiu topogeodezic prin scanare laser terestră la acumularea Pecineagu, r. Dâmboviţa, jud. Argeş”;

www.geosoft.com – Tining.

Negrila F. C. Aurel - Rezumat

Documents

Transcript of Negrila F. C. Aurel - Rezumat