Quét Laser ba chiều xây dựng tư liệu hình học và quản lý xây dựng trong quá trình đào hầm đường bộ (Số 2)

Image Content

ANTHI Việt Nam

2. Phương pháp đo đạc bằng kỹ thuật TLS

2.1. Giới thiệu tổng quan

Quét laser 3 chiều mặt đất TLS (Terrestrial Laser Scanning) cho phép chúng ta tạo ra một tập hợp siêu lớn các điểm đo 3D để từ đó thực hiện các phép đo đạc trực tiếp trên tập hợp số liệu này. Tập hợp số liệu 3D này có tên gọi “đám mây điểm’ (“point cloud”), quá trình thiết bị TLS tạo ra đám mây điểm được thực hiện hoàn toàn tự động trong khoảng thời gian rất nhanh (chỉ vài phút đồng hồ). Nếu xem xét về tính thực tiễn và so sánh với các phương pháp đo đạc truyền thống, phương pháp quét laser 3D cung cấp cho chúng ta một tập hợp số liệu có mức độ chi tiết cao hơn rất nhiều, tăng tốc độ thu và giảm tối đa thời gian triển khai trên thực địa đồng thời có khả năng tạo ra các mô hình 3D hoàn chỉnh, hình ảnh toàn cảnh về các đối tượng trên thực địa và khả năng hiển thị tối ưu thông qua các bước xử lý và các công cụ mô hình hóa của phần mềm thế hệ mới. Tương tự như vậy, nếu so sánh với các kỹ thuật đo vẽ ảnh thì kỹ thuật quét laser 3D vẫn chiếm ưu thế đặc biệt đối với các đối tượng phức tạp hình dạng không đồng nhất, bề mặt có sự phân dị lớn trong những khu vực nhỏ.

Phụ thuộc vào cách thức sử dụng trong thực tiễn, thiết bị TLS có thể hoạt động hoặc từ một vị trí cố định (lắp đặt máy trên giá ba chân) hoặc trên một bộ gá lắp cơ động (sau đó gắn lên các phương tiện di chuyển). Trong trường hợp thứ nhất, thiết bị TLS thường sẽ được sử dụng để tạo ra các bản đồ cực kỳ chi tiết về các đối tượng trong thực tiễn nằm quanh khu vực hiệu quả của tia laser do thiết bị TLS phát ra (quanh điểm đặt máy quét). Trong trường hợp thứ hai ở chế độ quét di động, kỹ thuật quét laser thường được sử dụng phục vụ cho công tác đo đạc xác lập bản đồ hành lang cho các đối tượng dạng tuyến, kiểm tra và thống kê đối tượng (như hệ thống biển báo, hộ lan trên các tuyến đường cao tốc). Nguyên lý làm việc của các thiết bị TLS trong phương pháp đo cố định dựa trên các phép đo lặp khoảng cách nghiêng tới đối tượng được tạo ra bởi bộ đo khoảng cách điện tử EDM (Electronic Distance Measurement) ở những góc đã biết được xác định bằng các mặt phẳng ngang và đứng gửi đi từ bộ cảm biến EDM. Kết quả của quá trình xử lý phức tạp này là hệ tọa độ cực dạng thể cầu trong đó thể hiện vị trí tọa độ của các điểm đo nằm trong khu vực quan sát và có hiệu quả của thiết bị nhưng trong hệ tọa độ địa phương (hệ tọa độ địa hình trung tâm). Ngược lại, trong trường hợp quét laser động thì thiết bị quét lại thay đổi vị trí liên tục trong quá trình di chuyển thu thập số liệu, theo đó đám mây điểm 3D lại được tạo ra từ các phép đo khoảng cách, phép đo góc và chuyển dịch vị trí của máy quét TLS. Hình dưới đây cho chúng ta thấy rõ hơn các nguyên lý làm việc của cả hai trường hợp quét cố định và di động nêu trên.

 

Nguyên lý làm việc của máy quét TLS cố định (a) và di động (b)

Nguyên lý hoạt động của thiết bị quét laser TLS cũng tương tự như các máy toàn đạc điện tử tự động hoàn toàn thế hệ mới (Robotic Total Station). Tuy nhiên, thiết bị TLS không được trang bị ống ngắm quang học như trên toàn đạc, theo đó chúng không có khả năng đo các điểm cụ thể trên bề mặt (ngoại trừ dòng máy TLS của hãng Leica). Mặt khác, hợp phần đo trên các máy quét laser được xác lập để thực hiện các phép đo khoảng cách và góc với các khoảng góc định trước và vùng quan sát cụ thể ở tại một khu vực. Hoạt động này được thực thi bởi việc gia tăng đều một chỉ số góc cố định, kích thước của góc được xác định bởi người sử dụng. Hơn thế nữa trên tọa độ cực 3D, các máy quét laser đều có khả năng đo xác định mật độ phản xạ của các mục tiêu trong khu vực quan sát. Mật độ phản xạ (hay có thể gọi theo cách khác là cường độ phản hồi của tia laser) chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi cấu trúc vật liệu bề mặt đối tượng, góc tiếp cận của tia laser và khoảng cách giữa máy quét và các đối tượng đo. Thông tin này là hợp phần tối quan trọng trong rất nhiều ứng dụng thực tiễn, bởi với một số phần mềm phân tích cao cấp có thể sử dụng thông tin này để nội suy các đặc điểm vật lý bề mặt của đối tượng (ví dụ như độ cứng, mức độ lồi lõm hay dạng vật liệu cấu thành). Ngoài ra hầu hết các máy quét laser 3D đều được trang bị máy chụp ảnh CCD, vị trí được xác định một cách chính xác nhờ hợp phần tâm điện tử quang học của máy quét đã được kiểm tra định chuẩn từ nhà sản xuất. Ở những ngày đầu tiên của kỹ thuật quét laser 3D, máy chụp ảnh CCD của các thiết bị TLS chỉ được sử dụng phục vụ cho mục đích vẽ ghi sơ họa cho phép người sử dụng có thể xác định chính xác các đối tượng nằm trong vùng quan sát của máy quét. Nhưng hiện tại, thiết bị chụp ảnh CCD lắp trong máy quét có độ phân giải cao hơn và có khả năng chụp các bức ảnh toàn cảnh 3600 toàn bộ khu vực quét vừa để xác định đối tượng, ghi nhận hiện trạng đồng thời màu hóa đám mây điểm sau khi quét.

2.2. Phân loại và các nguyên lý hoạt động của phương pháp quét TLS cố định

Các hệ thống quét TLS cố định có thể được phân loại theo nhiều cách. Nếu dựa vào các chỉ tiêu kỹ thuật do nhà sản xuất công bố chúng ta có thể phân chia máy quét laser 3D theo khoảng cách quét. Nếu tiếp cận dựa trên các nguyên lý đo, chúng ta có thể phân các hệ thống quét TLS cố định thành ba nhóm bao gồm: tam giác đạc (triangulation), giao thoa (interferometry) và thời gian di chuyển (time-of-flight). Nhóm thứ nhất có nguyên lý hoạt động dựa cơ bản vào phương pháp tam giác đạc quang học (optical triangulation); theo đó, một nguồn phát sáng (ví dụ một điểm laser đơn hoặc trùm laser) quét lên bề mặt đối tượng trong khi đó phản xạ của tia laser được ghi nhận bởi một hoặc nhiều máy ảnh CCD. Các kết quả khoảng cách chính là hàm của góc nghiêng CCD và đường cơ sở xác định giữa máy ảnh CCD và bộ cảm biến laser. Các máy quét hoạt động theo nguyên lý này chỉ đạt được độ chính xác cao trong khoảng cách một vài mét vì thế những máy quét laser dạng này chỉ được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật công nghiệp chứ không sử dụng cho mục đích đo đạc thực địa. Nhóm máy quét thứ hai được xây dựng trên nguyên lý giao thoa (interferometric principle), sóng điện từ được tách ra thành hai chùm để tạo ra vùng giao thoa hai tia, nếu sử dụng các phương pháp phân tích phù hợp, chúng ta có thể sử dụng nguyên lý này để đo khoảng cách. Tuy nhiên, kỹ thuật xây dựng máy quét này chỉ phù hợp để chế tạo các loại máy quét cự ly gần, có độ chính xác siêu cao (nhỏ hơn mm) sử dụng cho sao chép mẫu, thiết kế, kiểm tra chất lượng trong lĩnh vực cơ khí chính xác.

 

(Còn tiếp)

Mọi thông tin xin liên hệ với chúng tôi qua hòm thư: info@anthi.com.vn