UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCłII BUCURETI FACULTATEA DE GEODEZIE CATEDRA DE TOPOGRAFIE I CADASTRU TEZĂ DE DOCTORAT (rezumat) PERFECłIONARI ALE LUCRĂRILOR TOPOGRAFICE I GEODEZICE ÎN DOMENIUL CĂILOR DE COMUNICAłII CONDUCĂTOR TIINłIFIC: Prof.univ.dr.ing. Petre Iuliu DRAGOMIR DOCTORAND: ef lucr.ing. Adrian SAVU - 2010 -PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii I Nr. Crt. Denumire Nr. pag. Intoducere A 1 CAPITOLUL I - SISTEME DE SCANARE LASER TERESTRE ŞI AEROPURTATE 1 1.1 Introducere 2 1.2 Clasificarea sistemelor de scanare laser 3 1.3 Principii de măsurare a distanţelor în tehnica de scanare laser terestră 6 1.3.1 Principiul măsurării timpului de zbor 6 1.3.2 Principiul măsurării diferenţei de fază 7 1.3.3 Principiul triangulaţiei 9 1.3.3.1 Principiul triangulaţiei cu o singură cameră 9 1.3.3.2 Principiul triangulaţiei cu două camere 10 1.4 Metode de deviere (deflecţie) a razei laser 10 1.4.1 Deflecţia razei utilizând oglinda oscilatoare 11 1.4.2. Deflecţia razei utilizând prisme optice 11 1.4.3 Deflecţia razei utilizând switch_uri de fibră optică 11 1.5. Surse de erori în scanarea laser 12 1.5.1 Erori instrumentale 13 1.5.1.1 Propagarea razei laser 13 1.5.1.2 Problema “mixării” muchiilor 14 1.5.1.3 Nesiguranţa distanţei 14 1.5.1.4 Nesiguranţa unghiulară 15

1.5.1.5 Erori ale axelor în Scanarea Laser Terestră 16 1.5.1.6 Eroarea de spot 16 1.5.2 Erori legate de forma şi natura obiectului scanat 17 1.5.3 Erori datorate mediului în care se efectuează scanarea 19 1.5.3.1 Temperatura 19 1.5.3.2 Atmosfera 20 PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii II 1.5.3.3 Radiatii interferente 20 1.5.3.4 Distorsiuni provenite din mişcări 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 terestră, în 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 Particularităţi 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 în cazul scanării utilizând 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 şi caracteristici ale Sistemelor de Scanare Laser Aeropurtate 42 2 CAPITOLUL II - SOFTURI DE PRELUCRARE, ANALIZĂ ŞI INTERPRETARE 48 2.1 Generalităţi 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 – REŢELE DE SPRIJIN PENTRU RIDICĂRI UTILIZÂND SISTEME DE SCANARE LASER 63 3.1 Introducere 63 3.2 Reţele de ridicare clasice utilizate în tehnica de scanare laser 63 3.2.1 Reţele liniar-unghiulare 64 PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii III 3.2.2 Reţele poligonometrice 66 3.2.3 Particularităţi ale reţelor clasice pentru ridicări utilizând laser scanner aeropurtat 67 3.2.4 Particularităţi ale reţelelor clasice pentru ridicări utilizând laser scanner terestru la reabilitarea tunelelor 68 3.3 Relizarea reţelelor de ridicare folosind tehnologii GPS 69 3.3.1 Realizarea reţelelor prin măsurători statice 69 3.3.2 Utilizarea tehnologiilor GNSS la scanările laser 74 3.3.3 Utilizarea Rompos la scanările laser 78 4 CAPITOLUL IV – MĂSURĂTORI GEODEZICE EFECTUATE PENTRU LUCRĂRI DE MODERNIZARE A TUNELELOR DE CALE FERATĂ 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 Băncii de Date pentru tuneluri în exploatare 94 4.4 Măsurători şi lucrări geodezice la întreţinerea și modernizarea tunelelor 98 5 CAPITOLUL V – PERFECłIONĂRI ALE LUCRĂRILOR GEODEZICE I ASISTENȚȚȚĂ TOPOGRAFICĂ DE SPECIALITATE LA MODERNIZAREA TUNELELOR DE CALE FERATĂ101 5.1 GeneralităŃi 101

5.2 Prezentarea zonei de lucru 102 5.2.1 Poziționare geografică 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 exploatării 105 5.3 Realizarea rețelei de îndesire i de ridicar 107 5.4 Determinarea coordonatelor punctelor de detaliu 109 5.4.1 Măsurători clasice 109 5.4.2 Măsurători în regim dinamic efectuate cu sistemul de scanare laser L-KOPIA/LKO110 5.4.3 Măsurători efectuate cu sistemul de scanare SCANSTATION 113 PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii IV 5.5 Prelucrarea măsurătorilor 117 5.5.1 Prelucrarea măsurătorilor efectuate cu tehnologii clasice 118 5.5.2 Prelucrarea măsurătorilor efectuate cu sistemul de scanare LKOPIA/LKO 118 5.5.3 Prelucrarea măsurătorilor efectuate cu sistemul de scanare ScanStation 2 118 5.6 Lucrări postprocesare, îmbunătățirea datelor, modelare 2D i 3D, exportul datelor 122 5.6.1 Postprocesarea datelor obținute prin măsurători clasice cu stația totală122 5.6.2 Postprocesarea datelor obținute prin măsurători cu sistemul de scanare L-KOPIA/LKO 124 5.6.3 Postprocesarea datelor obținute prin măsurători 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 umplutură i săpătură 134 5.6.3.7 Exportul datelor 135 5.7 ComparaŃii între rezultatele obŃinute în urma prelucrărilor 138 5.7.1 Compararea profilelor transversale 138 5.7.2 Compararea poziŃiei axului căii de rulare 140 5.8 Realizarea documentaŃiei necesare la intreŃinerea 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 încadrare a gabaritului de liberă trecere 144 5.8.3 Fia măsurării gabaritului la inele 147 5.8.4 Realizarea releveului desfăurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente 148 5.9 Transformări de coordonate 149 5.9.1 Transformare conformă. Metoda Helmert 150 5.9.2 RelaŃiile generale de prelucrare cu modelul Gauss-Helmert 151 5.9.3 Transformarea tridimensională 154 PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii V 5.9.4 Compararea rezultatelor transformărilor de coordonate 155 6 CAPITOLUL VI – CONCLUZII, CONTRIBUŢII, PERSPECTIVE 158 7 CAPITOLUL VII– BIBLIOGRAFIE 163 ANEXA 1 A ANEXA 2 B ANEXA 3 E ANEXA 4 F ANEXA 5 H PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii A Lucrarea de faţă abordează problema utilizării sistemelor de scanare laser terestre şi aeriene ca suport pentru lucrările topografice şi geodezice în domeniul căilor de comunicaţie. Modernizarea, reabilitarea şi construcţia căilor de comunicaţie şi lucrările de artă ce ţin de acestea, tuneluri, poduri, a cunoscut un mare avânt în ultimi ani, acestui domeniu i-au fost

alocate resurse importante atât financiare cât şi de tehnologie. Din aceste motive utilizarea sistemelor de scanare laser în acest domeniu ar putea duce la scurtarea timpului necesar achiziţionării datelor necesare proiectării, îmbunătăţirea produselor necesare, fără a se face rabat de la preciziile necesare şi obligatorii în acest domeniu. Specificul construcţiei şi modernizării căilor de comunicaţii presupune asistenţă topografică de specialitate în toate fazele realizării acestor proiecte (drumuri, căi ferate, lucrări de artă), atât în faza de studii cât şi la proiectare şi execuţie. Acest lucru este valabil şi în faza de exploatare şi modernizare a infrastructurii căilor de comunicaţii. De importanţă majoră sunt lucrările de artă, parte integrantă a căilor de comunicaţie rutiere şi feroviare, aceste lucrări presupun o atenţie deosebită din punct de vedere a lucrărilor topografice şi geodezice. Din multitudinea de tipuri de lucrări de artă specifice căilor de comunicaţii se disting – în mod deosebit – tunelele, construcţii cu caracter special prin complexitatea soluţiilor de proiectare, a dificultăţilor în timpul execuţiei dar şi prin necesitatea existenţei unor programe speciale de întreţinere, urmărire în timp şi modernizare pe perioada exploatării. Tunelele feroviare reprezintă ramura cea mai importantă a tunelelor pentru căi de comunicaţii atât prin lungime, număr cât și prin diversitatea alcătuirii a tipurilor de teren străbătute şi a lucrărilor topografice şi geodezice pe care le solicită. Prin această lucrare doresc să propun o tehnologie de achiziţionare a datelor şi de obţinere a produselor finale pentru tunele utilizând sisteme de scanare laser, de asemenea lucrarea î-şi propune o analiză şi o comparaţie pertinentă a posibilităţilor de utilizare, a două sisteme de scanare laser (L-KOPIA/LKO şi SCANSTATION2) şi a tehnologiilor clasice, pentru realizarea produselor specifice necesare modernizării tunelelor (profile longitudinale, transversale, comparaţii între elementele proiectate şi cele reale, calcule de încadrare a gabaritelor, etc.) care justifică această propunere. În abordarea problematicii specifice tunelelor trebuie ţinut cont că, în proporţie covârşitoare, aceste măsurători se efectuează în linie curentă, închiderea de linie fiind dificil de

realizat şi pe perioadă scurtă. Aceasta este o condiţie restrictivă extrem de importantă presupune realizarea programului de măsurători într-un interval de timp foarte scurt. În multe cazuri folosirea combinată şi judicioasă a mai multe tipuri de măsurători reprezintă alegerea optimă pentru realizarea acestori lucrări specifice tunelurilor. Teza este structurată pe capitole, subcapitole şi paragrafe, care sunt numerotate ierarhic, astfel încât identificatorul unei subdiviziuni este precedat de codul structurii superioare. Această structură asigură regăsire facilă a trimiterilor din text. Paginile, relaţiile, figurile şi tabelele s-au numerotat la nivelul fiecărui capitol. Introducerea – conţine justificarea temei abordate şi descrierea sumară a tuturor capitolelor. PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii B Capitolul 1 –”SISTEME DE SCANARE LASER TERESTRE ȘI AEROPURTATE”, trece în revistă principiul sistemelor de scanare, clasificarea sistemelor de scanare laser, principii de măsurare a distanţelor în tehnica de scanare laser terestră, metode de deviere (deflecţie) a razei laser, surse de erori în scanarea laser, componentele şi tipurile de sisteme de scanare laser, particularităţi ale sistemelor de scanare laser aeropurtate, tipuri şi caracteristici ale sistemelor de scanare laser aeropurtate. În 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 și natura obiectului scanat, erori datorate mediului în care se efectuează scanarea, erori metodologice. În subcapitolul 1.6 se analizează sistemul de scanare laser în funcţie 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 prezintă 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 şi 1.9 prezinţă cele mai utilizate sisteme de scanare terestre şi aeriene

din prisma performantelor, preciziei şi altor particularităţi importante în cea ce priveşte alegerea unui sistem sau a altuia pentru un anumit tip de lucrare. Capitolul 2 – ”SOFT DE PRELUCRARE, ANALIZĂ ŞI INTERPRETARE”, din multitudinea de programe existente pe piaţă, scoate în evidenţă posibilităţile de prelucrare a măsurătorilor obţinute în urma scanării laser, care presupune mai multe etape: registraţie, procesarea norului de puncte, post-procesare, modelarea 2D şi 3D şi obţinerea produselor finale. Subcapitolele 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, prezintă cele mai utilizate softuri în domeniu SceneVision-3D, FARO Scene, I-Site Studio, RiSCAN PRO cu posibilităţile, avantajele, dezavantajele şi domeniile specifice de aplicabilitate. Subcapitolul 2.6, propune şi o soluţie combinată, prin combinarea fotogrametriei digitale cu scanarea laser care este posibilă prin Phidias, un soft plug-in conceput pentru MicroStation. Subcapitolul 2.7, analizează produsul FLIP7 conceput special pentru prelucrarea datelor obţinute din scanarea laser aeriană, produsul este o soluţie integrată care pune la dispoziţie modul pentru planificarea zborului, module pentru prelucrarea informaţiilor preluate de la sistemul GPS de la bord, sistemul IMU, receptoarele GPS de la sol, modul de registraţiei, module de filtrare, analiză şi generare de produse 2D şi 3D. Subcapitolul 2.8, analizează produsul WinMP care este un soft dedicat pentru întocmirea planurilor şi documentaţiei privind intinerariul de zbor şi un sistem de control pentru CCNS(Computer Controlled Navigation System). Subcapitolul 2.9 prezinţă pachetul de programe EUPALINOS acesta fiind conceput exclusiv pentru rezolvarea tuturor obiectivelor topografice şi geodezice, în domeniul construcţiei şi modernizării tunelelor. Capitolul 3 – ”REŢELE DE SPRIJIN PENTRU RIDICARI UTILIZÂND SISTEME DE SCANARE LASER”, prezintă tipurile de reţele de ridicare care se realizează şi se utilizează în cazul utilizării sistemelor de scanare laser. Pornind de la reţele de ridicare realizate clasic, realizate cu

instrumentul de scanare, realizate cu tehnologii GPS sau prin utilizarea soluţiilor GNNS. Capitolul 4 – ” MĂSURĂTORI GEODEZICE EFECTUATE PENTRU LUCRĂRI DE MODERNIZARE A TUNELELOR DE CALE FERATĂ”, începe cu un scurt istoric al realizării tunelurilor în Romănia, se conţinuă cu o clasificare şi cu elementele specifice ale acestor PerfecŃionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaŃii C construcţii de artă, este prezentată de asemenea toată gama de lucrări specifice necesare la modernizarea tunelelor. Subcapitolul 4.3, prezintă informaţiile necesare realizării bancii de date pentru tunele în exploatare, din punct de vedere al măsurătorilor topografice şi geodezice, aceste informatii se culeg periodic, calendarul investigatiilor este prevăzut de gestionarul tunelului şi constă în: verificarea gabaritului tunelului prin realizarea de relevee transversale executate intodeauna în aceleaşi sectiuni, întocmirea releveului desfasurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente, realizarea profilului longitudinal al axului căi de rulare. Utima parte a capitolului este dedicată strict măsurătorilor și lucrări geodezice ce se execută la întreţinerea și modernizarea tunelelor, dintre aceste lucrări sunt trecute în revistă: măsurători pentru verificarea conturului intradosului, măsurători pentru verificarea debuseului şi încadrarea gabaritului de liberă trecere, verificarea geometriei căii de rulare, calculul dezaxăriiîntre axul existent al căii de rulare şi axul proiectat al căi de rulare, dezaxarea dintre axul tunelului şi axul căi de rulare. Capitolul 5 – ”PERFECŢIONĂRI ALE LUCRĂRILOR GEODEZICE ŞI ASISTENŢĂ TOPOGRAFICĂ DE SPECIALITATE LA MODERNIZAREA TUNELELOR DE CALE FERATĂ”, prezintă aplicarea în practică a conceptelor teoretice şi tehnicilor de lucru prezentate în capitolele anterioare. Datele utilizate constă în: măsurători clasice, măsurători cu sistemul de scanare LKOPIA/LKO şi măsurători cu sistemul de canare SCANSTATION 2.

În prima parte sunt prezentate caracteristicile Tunelului Banlaca la care s-au efectuat măsurătorile, poziţionare geografică, clima şi fenomenele naturale specifice zonei, geologie, seismicitate, date de proiectare, date istorice din timpul exploatării, toate acestea justificând necesitatea modernizării. Se continuă cu realizarea reţelei de îndesire şi de ridicare, prelucrarea măsurătorilor efectuate cu tehnologii clasice, cu sistemul de scanare L-KOPIA/LKO şi cu cu sistemul de scanare ScanStation 2. Subcapitolul 5.6 prezintă post procesarea datelor obţinute cu cele trei metode de măsurare şi a produselor obţinute prin fiecare metodă, în subcapitolul 5.7 se fac comparaţii între rezultatele obţinute în urma prelucrărilor, subcapitolul 5.8 analizează posibilităţi de realizare a documentaţiei necesare la întreţinerea şi modernizarea tunelurilor. În ultima parte a capitolului transformările de coordonate specifice sistemelor de scanare laser sunt efectuate cu ajutorul modelului Gauss-Markov şi Gauss-Helmert în spaţiul bidimensional şi tridimensional, pe baza măsurătorilor brute efectuate cu sistemul de scanare Scanstation2. Sunt prezentate comparaţii între parametrii de transformare obţinuţi cu modelele Gauss-Markov şi Gauss-Helmert, cu rezultatele obţinute prin registraţie cu softul Cyclone. Capitolul 6 – ”CONCLUZII, CONTRIBUŢII, PERSPECTIVE”, prezintă principalele idei sintetizate a rezultatelor obţinute, contribuţiile aduse de lucrarea de faţă şi perspective de cercetare pe viitor. Capitolul 7 – ” BIBLIOGRAFIE ” – cuprinde autori şi titluri de cărţi, reviste, articole din volumele unor conferinţe şi simpozioane, cursuri universitare de perfecţionare, informaţii obţinute pe cale electronică (site-uri internet) la care s-au făcut trimiteri pe parcursul lucrării. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 1 Începuturile măsurătorilor î-şi au originea în determinarea distanţei dintre două puncte din teren prin numărarea pașilor dintre puncte, următoarea etapă în evoluţia măsurătorilor a

fost utilizarea unui etalon, de la această metodă până la teodolite nu a mai fost decât un pas. În anii 1970, metodele electro-optice de măsurare a distanţei (EDM) au revoluţionat întreaga industrie de instrumente topografice, staţiile totale de azi fiind versiunea modernă a acestei tehnologii. În ultimul deceniu, sistemul global de poziţionare (GPS) a revoluţionat metodele de poziţionare tridimensională a punctelor de pe suprafaţa terestră. În condiţiile în care știinţa și tehnologia au cunoscut o continuă dezvoltare, echipamentele topografice au devenit tot mai sofisticate. Cea mai recentă inovaţie în acest domeniu este tehnica de scanare laser terestră și aeriană. La începutul acestui deceniu, un nou concept a revoluţionat modalitatea de determinare rapidă a poziţiei spaţiale a obiectelor, acesta fiind bazată pe scanarea laser 3D. Un echipament de scanare 3D este compus din: sistemul de scanare laser 3D, computer și componenta soft de scanare, transfer și prelucrare a datelor preluate. Acest concept a fost preluat și în măsurătorile topografice și geodezice, deoarece prin intermediul acestei tehnologii poate fi determinată automat geometria unui obiect, fără ajutorul unui mediu reflectorizant, cu precizie și viteză ridicată. Rezultatul măsurătorilor este reprezentat de o mulţime de puncte, numită în literatura de specialitate “nor de puncte”. Tehnologia de scanare laser poate fi clasificată în două categorii: scanare statică; scanare în regim dinamic. Pe baza acestor două tipuri de abordări în scanarea laser s-au dezvoltat şi aplicaţii specifice, pe domenii, în care scanarea laser este utilizată (figura 1.1). Sisteme de scanare laser Scanare dinamica Scanare statică Terestră Aeriană Distanţă mare 200 – 1000 m Distanţă medie 20 – 200 m Distanţă mică 0 – 20 m

Căi rutiere Silvicultură Agricultură Reţele edilitare Cariere Căi rutiere Aeroporturi ConstructiiArhitecturăMonumenteTunele PoduriMedicină CriminalisticăProiectare Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 2 Scanarea laser în regim static este definită în cazul în care poziţia instrumentului este fixă pe durata achiziţionării datelor. Avantajele cele mai importante ale acestei metode sunt: precizia ridicata a rezultatelor, densitatea mare de puncte preluate, rezolvarea ușoară a problemelor de registraţie (calculul coordonatelor X, Y, Z). Scanarea laser în regim dinamic presupune că instrumentul montarea instrumentului pe o platformă mobilă. Această platformă poate fi aeriană (avion, elicopter) sau terestră (autovehicul în mișcare). Aceste sisteme sunt mult mai complexe și mai costisitoare deoarece în componenţa lor intră și alte sisteme adiţionale, cum ar fi: Sisteme Inerţiale de Navigaţie (INS) și Sisteme de Poziţionare Globală (GPS). Piaţa sistemelor de scanere laser terestră s-a dezvoltat în ultimii ani cu un real succes și în privinţa aplicaţiilor de precizie ridicată, ele putând fi privite ca instrumente topografice şi geodezice care îndeplinesc cerinţele prevăzute de aceste aplicaţi. O clasificare a sistemelor de scanere laser terestre este destul de problematică, deoarece ar trebui definită baza acestei clasificări. Firmele producătoare scot pe piaţă – constant – instrumente îmbunătăţite și există o gamă vastă de lucrări în care acestea sunt utilizate. Posibile

clasificări se pot face după următoarele criterii: domeniul de măsurare al distanţelor;mărimea câmpului de scanare (field of view - FOW); principiul sistemului de măsurare a distanţelor; densitatea de achiziţionare a punctelor; precizia determinării poziţiei spaţiale a punctelor; domeniul de scanare, etc. Pornind de la clasificarea sistemelor de scanare laser din punctul de vedere al modului de măsurare a distanţei, se utilizează în prezent trei tehnici de determinare a distanţei: principiul măsurări timpului de zbor, principiul măsurării diferenţei de fază și principiul triangulaţiei. Este întâlnit în literatura de specialitate sub denumirea de time-of-fight (TOF) sau laser pulsed. În acest caz, distanţa de la instrument la obiect este determinată în funcţie de timpul de parcurgere al acesteia sau timpul între emitere și recepţie a undei laser. În principiu, o dioda emite un impuls laser cu o frecvenţă cunoscută către un obiect din teren. Această undă este reflectată difuz de pe suprafaţa obiectului și – o parte din ea – se întoarce la receptor. Pentru fiecare impuls este măsurat timpul dintre emitere și recepţie. Distanţa rezultă din formula: D = (co*t) /2 (1.1) unde: D – distanţa, t – timpul contorizat pe traseul dus întors, co – viteza luminii în vid (299792458 m/s) Printre avantajele utilizării acestei metode se numără: mărimea redusă a sistemului de măsurare, imunitatea ridicată la interferenţe, precizie ridicată de măsurare, domeniu mare de măsurare, culegere rapidă a datelor, raport performanţă - preţ excelent. Este întâlnit și sub denumirea de de phase difference sau phase comparison. Această metodă este întâlnită și la o serie de staţii totale. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 3 Distanţa de la instrument la obiectul scanat este determinată în funcţie de diferenţa de fază dintre semnalul emis și cel receptat: D = n * λ + Φ*λ/2π (1.2) unde: n - numărul de lungime de undă întregi, λ – lungimea de undă, Φ - defazajul

Fiind vorba despre o emitere continuă de unde laser, intensitatea laserului este modulată de o funcţie bine definită, sinusoidală sau pătratică. Modulaţia semnalului este repetată continuu cu o perioadă de timp Tp. Laserul emite continuu o lumină cu nivele moderate de putere, timpul în care semnalul parcurge distanţa TL este determinat prin măsurarea diferenţei de fază Φ între semnalul emis și cel recepţionat. Pentru o rezoluţie de fază cunoscută (Δθ), rezoluţia domeniului se calculează cu relaţia: Δs = λ/2 * Δθ (1.3)Principiul triangulaţiei este utilizat la măsurarea precisă a distanţei, utilizând sensori de triangulaţie laser. Denumirea procedeului vine de la faptul că raza emisă, raza reflectată și distanţa între emiţătorul laser și camera (senzorul) CCD formază un triunghi. Principiu triangulaţiei este aplicat în două variante: sistemul cu o singură cameră şi sistemul cu două camere. Această metodă presupune emiterea unui fascicul laser de la instrument și reflexia acestuia de pe suprafaţa obiectului (de măsurat) spre o lentilă colectoare situată pe instrument, la o distanţă cunoscută faţă de emiţător. Lentila focusează imaginea spotului laser reflectat, care este detectată și colectată de o cameră (senzor) CCD. Poziţia spotului imagine pe pixelii camerei este apoi procesată pentru a determina distanţa până la obiect. Unghiul fasciculului laser emis este înregistrat de aparat iar distanţa între sursa laser și camera CCD este cunoscută de la calibrarea instrumentului. Distanţa de la instrument până la obiect (D) este determinată geometric din lungimea bazei (b) și unghiurile înregistrate (α și β). D = b * sin α / sin γ = b * sin α /sin(α + β) (1.4) O altă soluţie, bazată pe acelașii principiu, presupune utilizarea a două camere CCD, amplasate la capetele bazei, spotul laser fiind generat de o sursă independentă, care nu are funcţie de măsurare. Rezolvarea este identică cu cea de la cazul precedent. Datorită limitărilor fizice de a crea o bază mare, scanerele laser care utilizează acest

principiu sunt utilizate preponderent pentru aplicaţii la mică distanţă și pentru scanarea de obiecte de mici dimensiuni. Avantajele metodei constau în faptul că oferă o precizie de măsurare a distanţei, care poate ajunge în domeniul micronilor. În cazul sistemelor de măsurare bazate pe tehnologii laser, pe lângă precizia de determinare a distanţei, pentru obţinerea coordonatelor 3D ale punctelor ne interesează și precizia de măsurare a unghiurilor, în acest caz orientarea razei laser. Metoda folosită pentru baleerea cu fasciculul laser a obiectului de scanat are un mare impact asupra calităţii datelor înregistrate. Pentru aceasta, se utilizează o unitate de deflecţie, Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 4 care poate fi: oglinda oscilatoare (oscillating mirror), prisme optice reflectorizante rotative(rotating polygon) sau switch-uri de fibră optică (fiber switch) Pornind de la numeroasele domenii de activitate în care scanarea laser terestră își dovedește utilitatea și dacă vorbim de aplicaţii ale măsurătorilor topografice sau geodezice, precizia de determinare a poziţiei spaţiale a norului de puncte este un parametru important, care trebuie luat în considerare și analizat. Principalele categorii de surse de erori în scanarea laser terestră sunt: erori instrumentale, erori legate de forma și natura obiectului scanat, erori datorate mediului în care se efectuează scanarea, erori metodologice. Un echipament de scanare laser terestră este compus – la modul general – dintr-un sistem de măsurare a distanţei prin unde în combinaţie cu un sistem de deviere a razei laser, aceasta fiind direcţionată pe direcţia de măsurere. Sistemul emite raza laser în direcţia pe care urmează să se măsoare, iar lumina reflectată este detectată și interpretată. Acurateţea măsurătorilor depinde de distanţa la care se măsoară, de intensitatea luminii laser reflectate şi – implicit – de reflexia suprafeţei obiectului scanat. Reflexia depinde de unghiulde incidenţă şi proprietăţile suprafaţei care reflectă fasciculul laser. Erorile instrumentale se pot clasifica în erori sistematice și aleatoare și pot fi corespunzătoare tipului de scaner. Erorile aleatoare afectează – în principiu – precizia de măsurare a distanţelor și unghiurilor în cazul instrumentelor care utilizează metoda pulsului (time-of-flight).

Erorile sistematice pot fi generate de neliniaritatea sistemului de măsurare a timpului sau de temperatură, acestea putând influenţa puternic măsurătorile electronice ale distanţelor. Pornind de la ipoteza că scanerele laser măsoară reflexia razei laser de la suprafaţa unui obiect, ne aflăm faţă în faţă cu legile fizicii, ale reflecţiei şi proprietăţilor optice ale materialelor componente ale obiectului respectiv. Suprafaţa de reflecţie a luminii monocromatice poate arăta sub forma unor raze de reflecţie în mai multe direcţii. Acest tip de reflecţie difuză (izotropică) poate fi descris în general de legea Lambert a cosinusului:

.

¤

µ (1.10) unde: I

λ este intensitatea luminii incidente, ca funcţie de lungimea de undă (culoare) şi care este absorbită în momentul în care raza laser trece prin aer; kλ este coeficientul de reflexie difuza, care este functie de lungimea de unda; θ este unghiul între lumina incidentă şi vectorul normal la suprafaţă. Această formulă ne indică faptul că raza laser este afectată de absorbţia semnalului la trecerea prin aer, de reflecţia materialului din care este compusă suprafaţa supusă măsurării şi de unghiul de incidenţă între raza laser şi suprafaţa supusă măsurării. Aceasta înseamnă că pentru suprafete foarte închise (spre negru) care absorb majoritatea spectrului vizibil, semnalul reflectat poate fi foarte slab. Acest fenomen are ca urmare faptul că precizia punctelor determinate prin măsurători va fi afectată de erori (zgomote). Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 5 Este necesar de avut în vedere că temperatura în interiorul scanerului poate fi mult mai mare decat cea a atmosferei şi a mediului înconjurător, datorită atât încălzirii proprii a componentelor interne cât şi influenţelor externe (de exemplu lumina solară). Radiaţiile externe pot influenţa predominant pe o parte a trepiedului sau a scanerului, ceea ce – prin dilatare – poate conduce uşor la distorsionarea datelor de scanare. Sistemele de scanere laser funcţionează la parametrii maximi atunci când sunt utilizate într-un mediu de scanare cu o temperatură relativ constantă dealungul distanţelor pe care le măsoară. În momentul în care pe domeniul de măsurare apar diferenţe de temperatură, acestea influentează în special precizia de măsurare a distanţelor. În momentul în care scanerele laser operează în benzi de frecvenţă foarte apropiate,

precizia de măsurare a distanţelor poate fi influenţată de radiaţii externe, de exemplu de surse puternice de iluminare externe. în acest caz, pot fi aplicate în unitatea de recepţie filtre de interferenţă optice speciale, pentru ca receptorul să ajungă la frecventele corecte. Multe scanere laser au rate de scanare cuprinse între 2000 şi 500000 puncte pe secundă. Cu toate că această rată este foarte mare, scanarea cu o rezoluţie mare poate dura 20-30 minute, pentru scanarea care utilizează tehnica măsurării timpului (time-of-flight) sau aproximativ 10 minute, pentru scanarea care utilizează tehnica măsurării diferenţei de fază (phase). În acest interval, scanerul este succeptibil la vibraţii care pot provoca mici deplasări, denumite şi distorsiuni provocate de mişcare. Acestea sunt erori datorate metodei de măsurare alese sau experienţei operatorului care nu este prea familiarizat cu aceasta tehnologie. De exemplu, dacă operatorul seteaza densitatea gridului (rezoluţia) mai mare decât precizia de măsurare a instrumentului, atunci sunt generate extra-zgomote care influenţează negativ măsurătorile iar timpul rezervat procesării va creşte substanţial. O altă posibilă sursă de erori ar putea fi alegerea greşită a sistemului de scanare. Alegerea unui sistem cu un domeniu maxim al distanţei neadecvat cu distanţa maximă până la obiectele care urmează a fi scanate, conduce la un produs al scanării cu măsurători mai puţin precise şi posibile zgomote. Alte erori care intră în această categorie sunt cele generate în timpul fazei deregistratie, acestea fiind funcţie de tehnica utilizată la registratia norilor de puncte multipli. Un sistem de scanare laser are următoarele componente principale: unitatea de scanare, unitatea de control, sursa de energie, componenta software, sistemul inerţial, sistemul de control al poziţiei şi accesorii. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 6 Unitatea de scanare, sau instrumentul propriu-zis este compus la rândul lui din: sistemul

de măsurare a distanţelor, sistemul de măsurare al unghiurilor şi sistemul de deflecţie. Unitatea de control este de regulă un calculator portabil cu ajutorul căruia este condus şi controlat întregul proces de scanare, de la alegerea parametrilor de scanare până la stocarea datelor. Unele sisteme de scanare au memorie hard internă pe care sunt stocate datele iar controlul scanării se realizează prin intermediul unei interfeţe de tip tastatură, ecran tactil. Legatura între unitatea de control şi unitatea de scanare se realizeaza în diferite moduri: cablu, IP dinamic, IP static, wireless, etc. Sursa de energie necesară procesului de scanare este diferită în funcţie de tipul unităţii de scanare, în marea majoritate a cazurilor sistemele de scanare au acumulatori externi de mare capacitate, dar există şi acumulatori interni sau unitatea se poate cupla direct la sursa de curent din reţea (220V). Componenta software este de obicei livrată de compania care produce unitatea de scanare. Softul este structurat pe module: modulul de control al scanării, 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 şi navigatia aeronavelor, vehiculelor, vapoarelor. Are posibilitatea de a oferi, cu precizie ridicată, date privind poziţia, viteza şi atitudinea obiectului. Sistemul este compus din două seturi de trei senzori concepuţi pentru a măsura forţele specifice (acceleraţii), precum şi unghiurile de rotaţie pe trei axe specifice zborului. Acceleraţiile sunt măsurate cu ajutorul accelerometrelor, iar rotaţiile sunt măsurate de giroscoape. Giroscopul este un senzor care măsoară rotaţia relativă. Există mai multe tipuri giroscoape: electro mecanice, giroscoape cu fibră optică, giroscoape inelare cu laser. Combinarea sistemelor INS cu tehnologii GPS a dus la realizarea unui sistem de control şi poziţionare care poate fi utilizat în navigaţia de precizie. Sistemul de contol al poziţiei este format din unul sau mai multe instrumente care utilizează tehnologii GPS pentru determinarea poziţiei punctelor.

Dintre accesoriile sistemelor de scanare, ele mai importante sunt: trepied, platforma de montare în cazul sistemelor de măsurare în regim dinamic sau al sistemelor aeropurtate, ţinte de vizare, camere fotografice, camere video, cutii de transport, cabluri, etc. Marii producători de sisteme de scanare laser încerca să ţină pasul cu avântul luat de utilizarea acestor tehnologii în diferite domenii de activitate cu ar fi topografie, construcţii, căi de comunicaţii, lucrări de artă, arhitectură, criminalistică, medicină, construind sisteme cât mai accesibile şi dedicate pe un anumit domeniu. În ultima perioadă, fiecare producator pune la dispozitie 3-4 sisteme specializate pe un anumit domeniu, atât la scananarea terestră cât şi la scanarea aeriană. Sistemele pentru acelaşi domeniu sunt destul de asemănătoare, diferenţele provenind mai mult din design, accesorii şi soft de prelucrare şi interpretare. Primele încercări de utilizare a scanării laser aerine îşi au rădăcinile în anii 1935, din timpul celui de-al doilea război mondial. Tehnologia se dorea a fi folosită iniţial în scop militar, pentru realizarea şi implementarea hărţilor de navigaţie, pentru bombardiere, în special. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicaUn succes important a fost realizatscanarea terenului cu un dispozitiv instalatcu laser rotativ care scana terenul sub un unghi de la 3 la 22 grade în plan vertical şi în plan orizontal. Prototipul a fost folosit pe tot parcursul r Începând cu anii 1970, odatsistemelor de navigaţie inerţialspectaculoasă. Astăzi, aceste tehnologii sunt folosite curentfi: cartografie, sisteme informatice geografice, cfondului silvic şi al apelor, hărţi de riscLaser Scanerul Aerian (Pământului, cu ajutorul unui echipament de scanare laser care tipuri de avioane şi elicoptere. Acestea survolează zonele de interes colectândlaser şi imagini. Principiul sistemului (figura teren sau de obiectele de pe teren. Partea reflectată este înregistrată de un senzor al sistemului

laser iar diferenţa de timp dintre transmiterea impulsului laser şi reflecţia lui de către sol ne dădistanţa dintre un reper din avionînălţimea avionului/elicopteruluiimpulsului, astfel că se pot calcula cu precizie cele 3 coordonate ale La fel ca şi la scanarea laser terestradică măsurarea timpului (de zbor)triangulaţiei. Pentru măsurareprismelor sau switch-uri de fibr În funcţie de metoda de scanare, se pot asigura precizii diferite de pozipunctelor din teren. ionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunica7Un succes important a fost realizat în 1940 când Fortele Aeriene Americane, au reusit scanarea terenului cu un dispozitiv instalat în faţa avionului. Sistemul era format dintrterenul sub un unghi de la 3 la 22 grade în plan vertical şi Prototipul a fost folosit pe tot parcursul războiului de către aliaţi în scopuri militare. nd cu anii 1970, odată cu dezvoltarea tehnicii de poziţionare globalială şi tehnica scanării laser aeriene a cunoscut o dezvoltare zi, aceste tehnologii sunt folosite curent şi pe scara largă în diferite domenii, cum ar fi: cartografie, sisteme informatice geografice, căi de comunicaţii, sisteme informatice specifice i de risc şi de hazard. erian (ALS) este un sistem pentru măsurarea punctelor pe suprafaţa cu ajutorul unui echipament de scanare laser care poate fi montat pe mai multe tipuri de avioane şi elicoptere. Acestea survolează zonele de interes colectând(figura 1.1) este bazat pe energia reflectată şi absorbită parţial de teren sau de obiectele de pe teren. Partea reflectată este înregistrată de un senzor al sistemului laser iar diferenţa de timp dintre transmiterea impulsului laser şi reflecţia lui de către sol ne dăavion/elicopter şi punct vizat situat pe sol. Poziţia, orientarea şi elicopterului sunt cunoscute cu acurateţe în momentul transmiterii impulsului, astfel că se pot calcula cu precizie cele 3 coordonate ale punctului de pe sol.la scanarea laser terestră, principiile de măsurare a distanţea timpului (de zbor) (TOF) şi măsurarea diferenţei de fază, mai putin principiul măsurarea unghiurilor existăa aceleaşi metode: oglinzi oscilante, rotauri de fibră optică. ie de metoda de scanare, se pot asigura precizii diferite de pozi

ionări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții Fortele Aeriene Americane, au reusit a avionului. Sistemul era format dintr-un scaner terenul sub un unghi de la 3 la 22 grade în plan vertical şi ± 25 de grade scopuri militare. ionare globală şi dezvoltarea e a cunoscut o dezvoltare diferite domenii, cum ar ii, sisteme informatice specifice surarea punctelor pe suprafaţa poate fi montat pe mai multe tipuri de avioane şi elicoptere. Acestea survolează zonele de interes colectând: date GPS, date este bazat pe energia reflectată şi absorbită parţial de teren sau de obiectele de pe teren. Partea reflectată este înregistrată de un senzor al sistemului laser iar diferenţa de timp dintre transmiterea impulsului laser şi reflecţia lui de către sol ne dăsituat pe sol. Poziţia, orientarea şi cunoscute cu acurateţe în momentul transmiterii punctului de pe sol.distanţei sunt aceleași, , mai putin principiul i metode: oglinzi oscilante, rotaţia ie de metoda de scanare, se pot asigura precizii diferite de poziţionare 3D a Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 8 Pe langă sursele de erori menţionate la scanarea laser terestră: erori instrumentale, erori legate de forma şi natura obiectului scanat, erori datorate mediului în care se efectuează scanarea, erori metodologice, la sistemele de scanare laser aeropurtate mai intervin: erori de poziţionare cinematică, erori de poziţie IMS şi GPS. Precizia de poziţia cinematică şi inertială este funcţie de mai mulţi factori, cum ar fi geometria sateliţilor, factorul DOP, refracţii multipath, erorile de orbită ale sateliţilor, erorile receptorarelor GPS de la sol, erorile datorate atmosferei (ionosfera şi troposfera), dinamica aeronavei, precum şi capacitatea post-prelucrare a componentei software. Sistemul Laser Scaner Aerian integrează mai multe sisteme high-tech într-un echipament

complex, descris în cele ce urmează: A. Platforma de zbor Sistemul se poate instala pe avioane uşoare sau elicoptere adaptate special la condiţiile necesare ridicărilor de precizie. Avioanele sau elicopterele sunt dotate cu platforme pentru montarea senzorului laser şi a sistemului video, de asemenea au senzori speciali de control a stabilităţii şi control al direcţiei de zbor. B. Componentele instalate la bordul platformei de zborb1. Sistemul de poziţionare Sistemul Laser Scaner încorporează cel putin două receptoare GPS (dublă frecvenţă L1/L2) pentru asigurarea preciziei de poziţionare a elicopterului sau avionului la un moment dat. Receptoarele înregistrează atât unda purtătoare cât şi corecţii diferenţiale de la fiecare satelit sau corectii în timp real. Astfel se obţine o precizie ridicată (post-procesare) a poziţiei punctului măsurat. b2. Sistemul de orientare a aparatului de zbor Este compus din sistemul de măsurare inerţială, care determină instantaneu unghiurile aparatului ruliu (roll), tangaj (pitch) şi giraţie (heading), cu o rată de 200 mărimi pe secundă, precum şi acceleraţia aparatului de zbor. b3. Sistemul Laser Este un sistem capabil de a acoperi o bandă cu lăţimea între 15 şi 175 m. Fiecare scanare furnizează 200 de măsurători, acoperind un sector de 60 de grade. Fiecare înregistrare scanată conţine timpul, orientarea laserului, informaţii despre verificarea şi corecţia datelor şi informaţii despre intensitatea semnalului, ceea ce formează imagini în infraroşu pentru vizualizare ulterioară. b4. Sistemul Video Sistemul Laser Scaner este echipat de obicei cu două camere video digitale color, de înaltă rezoluţie, având 750 linii orizontale şi un cip (senzor) CCD. Imaginile sunt înregistrate pe benzi SVHS. O cameră este orientată în jos, cuplată cu laserul iar a doua cameră este fixată într-o poziţie oblică şi astfel suplimentează imaginile obţinute de prima. Timpul calculat exterm de precis este

ataşat fiecărui cadru video, imaginea corelându-se astfel cu datele laser. C. Componentele software: c1. Software de procesare a datelor de teren La sfârşitul fiecărei zile de lucru, zborul platformei este pre-procesat, verificat şi transpus într-un fişier specific care conţine informaţiile despre orientarea aparatului de zbor, de la sistemul IMS şi informaţii despre poziţia aparatului la un moment dat, preluate de sistemul GPS. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 9 În timpul pre-procesării se execută controlul calităţii datelor pentru a corespunde specificaţiilor proiectului şi a elimina discontinuităţile datelor.Se definesc iniţial proiecţia orizontală, parametrii de modelare şi unităţile de măsură. c2. Software de post-procesare În scopul calculării coordonatelor X, Y, Z din datele furnizate de sistemele GPS de orientare a platformei aeriene şi sistemul de scanare laser, ca şi pentru a extrage informaţii utile din acestea, se folosesc sisteme de procesare a datelor specifice fiecărui producător. Sistemul Laser Scaner împreună cu soft-ul de prelucrare are facilităţi CAD extinse şi corelează imaginile video cu datele laser, obţinând o spectaculoasă prezentare multi-media a zonei survolate. Există facilitatea de a vizualiza şi ortorectifica imaginile video, aceasta ducând laîmbogăţirea informaţiile obţinute. d. Software de prelucrare şi interpretare: d1. Prezinta interfaţă utilizator intuitivă, fiind o aplicaţie tip Microsoft Windows, deci interfaţa respectă standardul Windows; d2. Include modul de transformare a a datelor pentru orice Datum şi include diferite tipuri de proiecţii. Componenta verticală a datelor se poate converti din elipsoidal în ortometric, folosind diverse modele de geoid şi informaţiile aferente zonei de lucru ; d3. Norul de puncte contine aproximativ 7000000 puncte pe kilometru scanat și furnizează multe posibilităţi de interpretare dintre care amintim: d31. “Colorarea după înălţime”: punctele colectate sunt dispuse într-o schemă deculoare ce permite vizualizarea formelor ce au relief ; d32. “Colorarea după intensitate”: obiectele şi formele ce nu au relief se deosebesc asfel după intensitatea reflecţiei ;

d33. Profile tranversale şi longitudinale ; d4. Permite extragerea de informaţii 3D despre poziţia oricărui obiect sau formă ce apare vizualizată. Utilizatorul extrage informaţia ca şi cum ar desena peste fundalul prezentat pe ecran. Se pot defini un număr nelimitat de obiecte desenate, de straturi care pot fi definite şi colorate după dorinţă. Toate caracteristicile extrase îşi menţin toate informaţiile originale disponibile; d5. Are o schemă eficientă deşi sofisticată de ataşare de atribute. Fiecare strat (layer) conţine obiecte desenate care includ puncte, linii, polilinii şi grupuri sau colecţii de puncte, linii şi polilinii. Fiecare clasă a unui obiect are propriile seturi de atribute definite de utilizator, la rândul lor, atributele având un număr nelimitat de valori predefinite. Acurateţea datelor obţinute folosind sisteme de scanare laser este dată şi de platforma pe care sunt amplasate. Aparatele de zbor folosite, fie ele avioane uşoare sau elicoptere, trebuie să aibă încorporate mai multe tehnologii de control a poziţiei şi vitezei în timpul zborului. Acestea sunt absolut necesare la post-procesarea datelor măsurate. Unul dintre cele mai importante sisteme este INS (Inertial Navigation System) care include senzori pentru controlul poziţiei, orientării, direcţiei şi a vitezei platformei de zbor. Acest sistem elaborează parametrii de navigaţie faţă de un anumit sistem de referinţă. Componentele pe care acest sistem le controlează sunt ruliu (roll), tangaj (pitch) şi giraţia (heading). Aceste componente sunt specifice zborului, ele induc cele mai mari erori în colectarea datelor. Determinarea poziţiei şi vitezei unui vehicul prin prelucrarea informaţiilor referitoare la acceleraţia acestuia constituie aşa-numita metodă inerţială de navigaţie. Principial, navigatorul inerţial este alcătuit din instrumente destinate măsurării componentelor acceleraţiei şi calculatoare electronice specializate care elaborează parametrii de navigaţie faţă de un anumit sistem de referinţă. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 10

Prelucrarea măsurătorilor obţinute în urma scanării laser presupune mai multe etape: registraţie, procesarea norului de puncte, post-procesare, modelarea 2D şi 3D şi obţinerea 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 în mare parte aceleaşi caracteristici, micile diferenţe apar în funcţie de caracteristicile lucrărilor pentru care au fost create. Pachetele de programe dezvoltate pentru prelucrarea informaţiilor preluate cu sisteme de scanare laser pot fi împărţite în trei categorii : 1. pachete de programe utilizate pentru sisteme de scanare statice – conţin modul de registraţie şi 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 şi 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 lângă modulele de registraţie şi de interpretare, trebuie să conţină module de prelucrare a informaţiilor de poziţie GPS şi a informaţiilor de la platforma inerţială. Exemple : I-SiTE Studio produs de I-SiTE, RiSCAN PRO şi Phidias produs de Riegl, RealWorks Survey produs de Trimble Navigation ; 3. pachete de programe utilizate pentru sisteme de scanare aeriene – conţin în plus şi modul pentru planificarea misiunilor de zbor. Exemple : Flip7 produs de Fugro, AeroOffice şi WinMPproduse de IGI, Fpes şi Ascot, produse de Leica, Phidias produs de Riegl, RealWorks Survey produs de Trimble Navigation. SceneVision-3D este un soft atât pentru controlul scanării cât şi pentru modelare a datelor, destinat atât pentru începători cât şi pentru utilizatorii experimentaţi. Softul combină navigare intuitivă în model cu o gamă largă de vizualizări, modelare şi funcţiile de analiză. Obţinerea unei scene complete sau a unui obiect necesită adesea scanari din mai multe

locaţii în scopul de a vedea toate feţele unui obiect sau obiecte situate "în spatele" unui alt obiect, SceneVision oferă funcţii care permit rapid şi uşor alinierea scanărilor pentru a produce un singur model. Aceleaşi funcţii permit şi referenţierea fotografiilor digitale preluate de sistemul de scanare, pentru o mai bună analiză şi interpretare a modelului obţinut în urma scanării. FARO Scene este un soft de înaltă performanţă pentu modelarea 3D a norilor de puncte rezultaţi în urma scanărilor, recomandat pentru utilizatori experimentaţi. Este special conceput pentru vizualizare, administrare şi lucru pe sisteme de scanare 3D de înaltă rezoluţie produse de FARO, oferind posibilitatea utilizatorului de manipulare a instrumentului de scanare şi ulterior punând la dispoziţie funcţii de registraţie şi analiză a norilor de puncte, vizualizare 3D şi crearea de obiecte. FARO Scene oferă module speciale pentru aplicaţii în: Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 11 arhitectură (FARO Architecture Package with Architectural Desktop) design (FARO Design Package with Geomagic Studio) specific pentru domeniul auto restaurarea obiectelor şi obiectivelor de patrimoniu şi a monumentelor (FARO Heritage Package) tunele (FARO Tunnel Package). Oferă utilizatorilor un instrument puternic pentru a controla tunelurile de toate formele, cu oportunitati nelimitate. Se pot proiecta tuneluri sau evidenţia profilul real rezultat în urma scanării. Datel pot fi vizualizate 3D individual, în secţiuni transversale sau longitudinale, se pot efectua calcule de volum sau terasamente. De asemenea în timp real faţă de un model teoretic, pentru o verificare rapidă a pieselor tunelului, se pot afişa direct comparaţii de secţiuni, distanţe. 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 biţi. Softul poate administra proiecte cu sute de scanări şi milioane de puncte cu uşurinţă, seturile de date mari pot fi eficient interogate, modelate şi manipulate pe un PC

desktop sau laptop, transferul de date între proiecte fiind facil şi rapid. I-Site Studio integrează şi gestionează date scanate cu diferite sisteme de scanare (I-Site, Leica, Optech). Are o puternică interfaţă grafica 3D care permite modelări pentru: industria minieră (cariere), aplicaţii de topografie şi cartografie, căi de comunicaţie (rutiere şi feroviare). RiSCAN PRO este un soft orientat pe proiect, toate datele dobândite în timpul campaniei de măsurare sunt organizate şi stocate într-un singur proiect. Softul permite scanarea datelor, gestionarea coordonatelor punctelelor de control şi controlul întregului proces de registraţie pentru a transforma datele scanărilor multiple şi a le aduce într-un sistem de coordonate unic. În plus, în cazul în care scanerul este echipat cu aparat de fotografiat digital, fotografiile obţinute sunt gestionate tot de RiSCAN PRO. RiSCAN PRO este conceput pentru a minimiza timpul de achiziţie şi prelucrare a datelor, oferind în acelaşi timp instrumente pentru inspecţia vizuală a integralităţii datelor, permite scanarea automată a punctelor de control şi încorporarea în datele de scanare a coordonatelor acestora, ofera funcţii puternice de post-procesare, structura proiectului este bazată pe protocolul XML care permite accesul la toate informaţiile foarte uşor. O exploatare completă a informaţiilor 3D prin combinarea fotogrametriei digitale cu scanarea laser este posibilă prin Phidias, un soft plug-in conceput pentru MicroStation. Aplicaţia Phidias acceptă informaţii atât de la sisteme de scanare terestre statice cât şi de la sisteme dinamice sau aeriene. Softul oferă toate instrumentele necesare pentru evaluări fotogrametrice combinate cu date din scanări laser profitând de toate caracteristicile şi facilităţile 3D ale uni sistem CAD. Phidias permite importul proiectului original RiSCAN PRO, toate datele de calibrare şi de orientare a imaginilor sunt preluate direct, de asemenea recunoaşte marea majoritate a formatelor de imagine care pot fi de asemenea importate în proiect referenţiate şi analizate

concomitent. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 12 Programul dezvoltat de FUGRO este compus din două module unul pentru planificarea zborului şi unul pentru prelucrarea informaţiei preluate de la sistemele de poziţionare şi de la sistemul de scanare. Avantajul acestui pachet constă în faptul că elimină erorile de prelucrare şi interpretare a datelor măsurate, care pot apare atunci când se folosesc pachete diferite de programe pentru preluare, interpretare şi modelare.Produsul final rezultat în urma prelucrării informaţiilor preluate de la : sistemul GPS de la bord, sistemul IMU, receptoarele GPS de la sol, corecţii diferenţiale şi în urma registraţiei este norul de puncte, puctele având coordonate tridimensionale într-un sistem unic de coordonate. Softul are rutine implementate de verificare a calităţii datelor preluate, de filtrare a zgomotelor înregistrărilor, de eliminare a punctelor suplimentar preluate sau a punctelor foarte apropiate (exemplu : vegetaţia, obiecte în mişcare la momentul scanării). WinMP este un soft produs de IGI dedicat pentru întocmirea planurilor şi documentaţiei privind intinerariul de zbor, este un sistem de control pentru CCNS(Computer Controlled Navigation System). Transferul de informatii de la CCNS la WinMP şi invers se realizeaza rapid prin cablu sau infraroşu. Toate informaţiile pot fi stocate într-o bază de date şi selecţionate pe diferite categorii. Astfel, se realizeaza o organizare usoară a informatiei referitoare la imaginile video înregistrate, poziţia de preluare a imaginilor, numele proiectului, zona de desfăşurare a acestuia, poziţia zborului. Datorită programului modular, WinMP poate fi adaptat la cerinţele utilizatorului, prin achizitionarea modulelor necesare. Softul este de sine stătător, nu necesită instalarea pe o alta platformă. Softul are implementată o bază de date care conţine hărti sub forma de imagini (*.bmp, *.tif, *.jpg) şi hărţi digitale (*.dxf, *.shp). Parametrii necesari georeferenţierii imaginilor se pot calcula

cu WinMP, aceste informaţii pot fi folosite pentru a planifica zborurile dacă zona se afla in baza de date. Baza de date cu care softul este livrat poate fi actualizată cu informaţii obţinute ulterior.Pachetul de programe EUPALINOS este soft dedicat exclusiv pentru rezolvarea tuturor obiectivelor topografice, de topografie inginerească şi geodezice, în domeniul construcţiei şi modernizării tunelelor. Acest soft constituie o componentă esenţială a ITMS (Integrated Tunnel Monitoring System) care, în combinaţie cu diferite componente hardware, oferă o soluţie totală la monitorizare, control şi gestiune a tunelelor. EUPALINOS are multe funcţii pentru gestionare şi prelucrare a datelor pentru proiectare pornind de la informaţiile furnizate de norul de puncte, modul de generare a profilelor, diagramelor şi secţiunilor, diferite funcţii de analiză şi control a elementelor căii de rulare şi aletunelului. Principalele activităţi şi produse ce se realizează şi se obţin cu softul EUPALINOS sunt: • realizare plan de situaţie; • realizare secţiuni transversale cu extragerea punctelor din profil; • detrminarea axelor căii de rulare şi a tunelului, control poziţiei acestora faţă de poziţia proiectată, inclusiv realizarea diagramelor grafice; • controlul gabaritelor de liberă trecere; Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 13 • urmărirea deformaţiilor la intrados şi comportarea în timp; • ghidarea şi programarea datelor pentru maşinile de foraj; • calculul volumelor de umplutură şi săpătură la proiectare şi în execuţie; • vizualizarea datelor 2D şi 3D; • gestionarea diferenţiată a norului de puncte, în conformitate cu scopul urmărit; • transferul de puncte de la şi către staţia totală dacă se execută măsurători combinate şi în special pentru trasarea sau retrasarea diferitelor elemente • relevee desfăşurate ale intradosului cu defecte, pe baza combinării măsurătorilor realizate cu sisteme de scanare laser, cu fotografii realizate cu camere digitale speciale. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 14 Ridicările geodezice executate pentru lucrările de topografie inginerească mai ales cele

necesare realizării şi reabilitării căilor de comunicaţie, care se desfăşoară pe zone întinse, ridică problema asigurării preciziilor ridicate solicitate de proiectant, de asemenea o mare importanţă o are realizarea rapidă a ridicărilor, în multe cazuri acest lucru fiind dificil din cauza configuraţiei reliefului. O noua tehnologie, cea a sistemelor de scanar laser terestrăa şi scanare laser de pe platforme mobile terestre sau aeroportate aduce un suflu nou ridicărilor geodezice. Ca şi în cazul ridicărilor realizate cu alte tehnologii ridicările utilizând sisteme de scanare laser atât terestră cât şi de pe platforme aeropurtate se bazează pe reţelele de ridicare pentru constrângerea măsurătorilor într-un sistem de referinţă tridimensional. Rezultatele obţinute prin aceste noi metode de ridicare sunt influenţate de precizia şi modul de realizare a reţelei de ridicare. Realizarea reţelelor de ridicare pentru a utiliza sisteme laser de scanare presupune următoarele abordări: • realizarea prin metode clasice independent de procesul de scanare • realizarea utilizând sistemul de scanare în momentul scanării • realizarea prin utilizarea tehnologiei GPS independent de procesul de scanare • realizarea prin utilizarea tehnologiei GPS în timp real în momentul scanării Ca şi în cazul măsurătorilor utilizând staţii totale, tehnologii GPS, camere fotogrametrice, sau senzori de teledetectie, la scanarea laser, în momentul în care se efectuează măsurători asupra unui obiect, se urmăreşte ca poziţia acestuia să fie definită atât planimetric cât şi altimetric faţă de acelaşi sistem de referinţă, în aşa fel încât să existe acele legături matematice şi fizice reciproce între obiect şi reţea şi între obiectul respectiv şi celelalte obiecte din jur. Modul de alcătuire şi dezvoltare al reţelelor de sprijin pentru ridicări utilizând tehnologia de scanare laser, specifice topografiei, depinde de: tipul sistemului se scanare laser folosit; precizia necesară apriorii scopului urmărit; mărimea suprafeţei teritoriului care urmează a fi ridicat; densitatea şi natura detaliilor care interesează; scara planului de situaţie care rezultă în urma ridicării. În cazul ridicărilor necesare proiectării sau reabilitării căilor de comunicaţii, ridicările

sunt de tip bandă, cu lăţimea de aproximativ 100 m şi lungimi mari, din această cauză tipurile de reţele care se pretează sunt reţelele liniar-unghilare (măsurători eterogene) şi reţele poligonometrice. În cazul ridicărilor necesare reabilitării tunelelor, reţelele de ridicare devin şi reţele de retrasare ale elementelor căi de rulare, la realizarea lor trebuie să se ţină seama de particularităţile specifice acestui domeniu: relieful zonei, acces, tipul tunelului, etc. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 15 Determinările folosind tehnologii GPS diferă esenţial de cele geodezice clasice prin aceea că sunt îndependente (în sensul că nu este necesară vizibilitatea între staţii). Din acest motiv, tehnicile de proiectare diferă substanţial, particularităţi există şi în modul de procesare a datelor,rezultând unele simplificări în ceea ce priveşte conformaţia reţelei. O planificare optimă a utilizării tehnologiei GPS trebuie să ia în considerare câţiva parametri importanţi, ca de exemplu: configuraţiile figurilor staţie-sateliţi, numărul şi tipul receptoarelor pentru măsurători, aspecte economice etc. Spre deosebire de proiectarea reţelelor clasice, la care menţinerea unei bune configuraţii geometrice necesită ample studii ale vizibilităţii, pentru reţelele GPS geometria şi lungimea laturilor nu au o mare importanţă. Pentru reţele de dimensiuni mari, realizate pentru scanări cu sisteme dinamice sau aeriene, mai ales dacă se utilizează multe receptoare, planificarea efectuării măsurătorilor GPS se poate face asistat de calculator, pe baza unor programe special destinate. Sistemele GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sunt sisteme de poziţionare tridimensională bazate pe măsurători cu ajutorul semnalelor radio transmise de sateliţii unor sisteme de poziţionare globală: NAVSTAR-GPS (SUA), GLONASS (Rusia), GALILEO (viitor sistem European). În urma prelucrării observaţiilor GNSS rezultă poziţia staţiei în coordonate carteziene (X, Y, Z) sau elipsoidale (latitudine, longitudine şi cotă elipsoidală). Sistemele GNSS realizează în principal determinarea informaţiilor legate de poziţia, viteza şi momentul de timp, ale unui receptor static sau în mişcare, situat pe suprafaţa terestră sau în

apropierea acesteia. Principiile de determinare ale acestor parametri sunt bine cunoscute azi, bazându-se în principal pe măsurători de pseudodistanţe cu ajutorul codurilor modulate pe semnalul satelitar, al fazei undelor purtătoare sau a variaţiei acestor mărimi (măsurători Doppler). În prezent, sistemul GPS este alcătuit din sateliţii blocurilor II, IIA şi IIR. Pentru utilizatori există două moduri de a accesa serviciile de poziţionare GPS şi anume: Serviciul de Poziţionare - Standard (Standard Positioning Service - SPS) şi Serviciul de Poziţionare Precisă (Precise Positioning Service – PPS). SPS se bazează pe codul C/A ( Course/Acquisition) numai pe frecvenţa L1, iar PPS se bazează pe codul P (Precise Code) transmis pe ambele frecvenţe L1 şi L2. Având în vedere criptarea introdusă pentru modul PPS pentru sateliţii din blocul II, IIA şi IIR, ca metodă de restricţionare a accesului, SPS este singura opţiune utilizabilă în orice moment pentru marea majoritate a utilizatorilor civili. Pornind de la aspecte similare privind realizarea unor reţele de staţii GNSS permanente în ţări avansate economic şi în România, sub tutela A.N.C.P.I, s-a realizat şi pus în funcţiune Serviciu Naţional de Monitorizare a Staţiilor GNSS Permanente (SNM-SGP). În prezent, la nivelul ANCPI este cristalizată o concepţia coerentă de realizare a unei Reţele de control GNSS în România, care să asigure cerinţe maxime de precizie şi încredere pentru o reţea spaţială (3D). Pornind de la această reţea de referinţă se vor “constrânge” reţelele de control pe orizontală, astfel încât şi acestea să se apropie de precizia obţinută în reţelele de control GNSS Reţelele de control GNSS tridimensionale sunt reţelele de referinţă spaţială (3D) realizate cu ajutorul poziţionării utilizând Sisteme de Navigaţie Globală cu Sateliţi (GNSS – Global Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 16 Navigation Satellite Systems). În România avantajele majore ale acestor reţele de control sunt furnizate de determinarea unor poziţii 3D într-un sistem de coordonate unic (pentru planimetrie

şi altimetrie), precizia relativă ridicată obţinută (5÷20mm) şi posibilitatea de determinare a unor vectori spaţiali cu lungimi de zeci de kilometri fără cerinţe de vizibilitate. Dezavantajul major al acestor reţele de control este datorat sistemelor de referinţă utilizate, care sunt referite la un elipsoid geocentric (WGS84, GRS80) care nu coincide cu cel aflat în vigoare în prezent la noi în ţară (Krasovski). Pentru cerinţele curente şi de perspectivă ale Geodeziei, Topografiei, Topografiei inginereşti, Cadastrului, SIG (Sisteme Informaţionale Geografice) ş.a., s-a proiectat şi realizat o Reţea Naţională de Staţii GPS Permanente (RN-SGP). O staţie GPS permanentă îndeplineşte în principal trei funcţii: • detectarea şi urmărirea automată a sateliţilor; • înregistrarea, stocarea şi analiza calitativă automată a datelor; • comunicarea cu exteriorul (beneficiari, alte staţii permanente, etc.). În acest moment există în România un număr de 73 de staţii permanente pe baza cărora s-a pus la dispoziţia utilizatorilor serviciu Rompos. Rompos este un sistem de determinare a poziţiei care include următoarele servicii: Rompos DGNSS, Rompos RTK şi Rompos Geo pentru aplicaţii postprocesare şi o precizie de poziţionare sub 2 cm. Rompos Geo poate fi folosit cu succes la realizarea reţelelor de ridicare pentru utilizarea de sisteme de scanare laser în regim static, la poziţionarea vehicolului când se utilizează sisteme de scanare în regim dinamic şi la poziţionarea platformei de zbor atunci când se folosesc sisteme de scanare aeriene. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 17 Construcţiile subterane constituie componente esenţiale ale infrastructurii lumii contemporane. Tunelele feroviare și rutiere reprezintă punctele cele mai sensibile ale căilor de comunicaţii, care deservesc economiile naţionale și schimburile internaţionale. Metroul este recunoscut ca sistem de transport indinspensabil în marile aglomerări urbane. Tunelele pentru căi de comunicaţii reprezintă – fără îndoială – categoria cea mai reprezentativă a construcţiilor subterane datorită valorii, dimensiunii și rolului economic și social. Cele mai importante aspecte legate de gestionarea tunelurilor sunt: durata de viaţă,

durata de serviciu, durata normală de functionare, etc. Tunelul este ansamblul următoarelor elemente componente: mediul înconjurător, sistemul de căptuşeli, sistemul de etanşare, sistemul de evacuare a apelor, sistemul căii de rulare, sistemul de echipamente şi instalaţii. Menţinerea tunelurilor la parametrii funcţionali, în cursul exploatării lor, presupune desfăşurarea următoarelor activităţi: crearea, menţinerea şi exploatarea unei bănci de date a tunelului cât mai cuprinzătoare, realizarea de lucrări de întreţinere şi reparaţii, realizarea de lucrări de modernizare. Specifică pentru tuneluri este dificultatea cunoaşterii reale a stării tehnice, datorită următorilor factori: nu se poate orbserva şi urmării decât intradosul şi elementele de cale, documentele de arhivă, în special la tunele vechi, nu permit cunoaşterea modului de dimensionare şi de realizare a căptuşeli, nu este posibil să se cunoască cu precizie rezistenţa unei căptuşeli mai mult sau mai puţin degradată. Lucrările de modernizare ale tunelelor au de asemenea un specific aparte deoarece importanta lor nu poate fi estimată cu precizie numai pe baza unor studii preliminare, execuţia lor este dificilă, datorită specificului şi condiţiilor de realizare. Tunelul este construcţia subterană destinată creării unei legături între două puncte despărţite de un obstacol (munte, curs apă, oraş, etc.), în scopul instaurării unei posibilităţi de transport sau comunicaţie. O clasificare a tunelurilor se poate realiza: după scopul pentru care se construiesc sau destinaţie, după locul unde se construiesc, după modul de dezvoltare în plan, după poziţia faţă de creasta masivului străbătut, după poziţia faţă de suprafaţa terenului, după modul de execuţie, după forma în profil transversal . Accesul căii de comunicaţie către tunel se face prin intermediul unor tranșee de accescare pot fi lungi şi mărginite de ziduri de sprijin sau scurte şi susţinute de aripi. În figura 4.1 sunt prezentate elementele caracteristice unui tunel în plan longitudinal. La capetele tunelului se realizează două elemente constructive numite portaluri care au rol de Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 18

preluare a împingeri masivului în sens longitudinal, cât şi rol estetic, având o realizare arhitectonică care se încadrează cu mediul înconjurator, de asemenea portalurile fac legatura între tunel şi transeele de acces. Tunelul propriu-zis este alcătuit din elemente constructive numite inele a căror lungime depinde de natura rocilor străbatute şi de metoda de execuţie utilizată. Aripa este elementul de legătură al tunelului cu pereţii tranşeelor de acces, se execută din beton sau zidărie. Axa tunelului este axa de simetrie în plan vertical a secţiuni utile a tunelului, pentru tunelurile de cale ferată în aliniament coincide cu axa căi de rulare, pentru tunelurile în curbă axa tunelului diferă de axa căii de rulare pentru a asigură încadrarea gabaritului. Nişele (refugiile) sunt amenajări speciale, executate în afara gabaritului şi servesc atât la adăpostirea muncitorilor care lucrează la întreţtinerea căii de comunicaţie, căt şi pentru depozitarea materialelor necesare unor reparaţii locale. Nişele se dispun alternativ, pe de o parte şi de alta a căii de comunicaţie, la o distanţă de cel mult 50 m în lungul tunelului. 112354261 - aripa, 2 – portal, 3 – inel, 4 – nisa, 5 – put de ventilatie, 6 – axa tunelului Puţul de ventilaţie este o construcţie specială, verticală, în formă de coş, amplasată în axa tunelului sau lateral, cu scop de aerisire şi ventilaţie între interiorul tunelului şi exterior. În figura 4.2 sunt prezentate elementele caracteristice unui tunel în profil transversal. Intrados este conturul interior al căptuşelii tunelului sau a secţiunii libere la tunelurile fară căptuşeala. Secţiunile transversale la tunele pot fi de diferite tipuri: de tip potcoavă, circulară, dreptungiulară. În cazul tunelurilor de cale ferată simplă cel mai des utilizată este secţiunea de tip potcoavă.

Secţiunea utilă interioară sau gabaritul de circulaţie(de liberă trecere) este conturul geometric transversal liber, în plan vertical, perpendicular pe axa longitudinală a căii de rulare, în interiorul căruia, afara de mijloacele de transport pe calea respectivă nu se admite să patrundă nici o parte a construcţiei sau a instalaţiilor fixe ale tunelului. Gabaritul de circulaţie trebuie sărespecte prevederile standardelor în vigoare pentru fiecare cale de circulaţie. Radierul este elementul construit dintre fundaţiile tunelului pe care se sprijină calea de rulare. Ele pot fi drepte sau sub forma de boltă, din beton, beton armat sau zidărie de piatră. Barbacana este orificiul transversal realizat prin fundaţii, în scopul evacuării apelor provenite din infiltraţii din spatele căptuşelii. Banchina, element din beton, executat deasupra fundaţiilor şi radierului până la nivelul căi de rulare sau mai sus, amplasat de o parte şi de alta a căi de rulare, serveşte pentru circulaţia personalului de întretinere şi pentru amplasarea diferitelor instalatii ale tunelului. Căptușeala este elementul construit care asigură susţinerea conturului escavat și reprezintă secţiunea liberă de exploatare a tunelului. Căptuşelile pot fi monolite, prefabricate sau cu două componente, una prefabricată exterioară şi una monolităa interioară sau două monolite. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 19 Extradosul reprezintă suprafaţa exterioară a căptuşelii şi face legatura tunelului cu mediul înconjurator. Bolta este partea superioară a căptuşeli la nivelul intradosului, cota acestui element fiind importantă în cazul modernizării tunelurilor (electrificarea liniei). 12348111379125 6101415

1 – fundaţie, 2 – canal de evacuare ape, 3 – radier, 4 – barbacana, 5 – banchină, 6 – cale de rulare, 7 – ax tunel, 8 – intrados, 9 – naşterea bolţii, 10 – căptuşeală, 11 – extrados, 12 – calotă, 13 – saltea de piatră, 14 – boltă, 15 – gabarit Deplasarea “Δ” este distanţa cu care axul tunelului se deplaseaza faţă de axul CF spre interiorul curbei. Ea se calculează în functie de înclinarea gabaritului datorită supraînălţării căii şi de raza curbei. În faza de exploatare, gestionarul de tunel trebuie să asigure menţinerea în parametrii funcţionali a tunelului, pentru aceasta el se sprijină pe totalitatea cunoştinţelor despre tunel, acumulate în timp, care constituie banca de date sau dosarul tunelului. Datele despre tunel se culeg: înainte de începerea construcţiei (studii topografice, geologice, geotehnice, etc.), în timpul construcţiei, în timpul exploatării (relevee, investigaţii, reparaţii, etc.). Principalele componente ale băncii de date pentru tunele sunt: date generale, date asupra execuţiei lucrării, date despre mediul înconjurator, date asupra terenului, date asupra stării tehnice, metode de investigare, stabilirea diagnosticului. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 20 La realizarea băncii de date pentru tuneluri participă specialisti din diferite domenii: inginerii de căi de comunicaţii, rezistenţă, hidrotehnică, geotehnică, geologie, geodezie. Aceștia, pe lângă progamatori, analişti şi informaticieni, își aduc aportul la realizarea şi actualizarea informaţiilor despre tuneluri. Intervenţia specialiştilor din domeniul geodeziei este la datele asupra stării tehnice a tunelului, aceste informaţii putând fi culese doar prin măsurători. Informaţiile rezultate sunt apoi analizate de specialişti feroviari care pot lua o decizie în cunoştinţă de cauza privind necesitatea intervenţiilor la tunel, amploarea acestor intervenţii, implicaţiile intervenţiei asupra traficului şi nu în ultimul rând asupra costurilor şi posibilitaţilorde finanţare. Aceste informaţii se culeg periodic, calendarul investigaţiilor este făcut de gestionarul tunelului şi constă în: realizarea profilului longitudinal al axului căi de rulare, întocmirea

releveului desfăşurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente, verificarea gabaritului tunelului prin realizarea de relevee transversale executate întodeauna în aceleaşi secţiuni. Profilul longitudinal se execută în lungul axului căi de rulare, la scări standard 1:100, 1:200 şi 1:500 pentru lungimi şi 1:10, 1:20, 1:50, pentru înălţimi. Pe lângă elementele cunoscute ale profilului longitudinal, plan de referinţă, distantţe parţiale, cote, există şi elemente specifice cum ar fi: kilometrajul căii, tipul inelului, lungimea inelului, cote NTS, numărul inelului, etc. Necesitatea verificării gabaritului este justificată de posibilitatea deformării căpuşelii în timp, sau a deplasării pe orizontală şi verticală a căi de rulare, care pot conduce la neînscrierea gabaritului de circulaţie şi la accidente destul de grave. Releveul desfășurat al intradosului cu cartarea defectelor aparente reprezintă piesa cea mai importantă în acţiunea de colectare a datelor privind tunelul. Acesta se execută la scările 1:100, 1:200 şi 1:500 în funcţie de dimensiunile tunelului şi dă o imagine sugestivă asupra defectelor şi evoluţiei lor în timp, constituind un element esenţial în stabilirea diagnosticului tunelului. Măsurătorile pentru releveele transversale se execută o dată la doi ani, pentru tunele fără probleme sau la intervale mai mici, stabilite de gestionarul tunelului, pentru tunelurile cu evoluţii majore în timp. Ele se execută întodeauna în aceaşi secţiune pentru a putea fi comparate între ele, se pot executa şi în secţiuni noi, care vor fi reluate ulterior, dacă situaţia din teren cere acest lucru. Pentru fiecare etapă de măsurători se execută o fișă de măsurători pentru gabarit care conţine: numărul inelelor, poziţia în kilometri a secţiuni în care se realizează măsurătorile, anul executării măsurătorilor, etc. Măsurătorile şi tehnicile de măsurare sunt diferite şi au cunoscut o permanentă îmbunătăţire. S-a pornit de la pantografe şi prăjini, iar în zilele noastre măsurătorile se execută cu staţii totale şi tehnologii de scanare laser.

Realizarea unei bazei de date pentru tuneluri, asociată cu un mediu CAD aduce avantaje incontestabile şi uşurinţă în manipularea datelor, cât şi în procesul decizional privind intervenţiile la tunel. Avantajele cele mai importante sunt: uşurinţa cu care se realizează planul desfăşurat al tunelului, se poate evidenţia evolutia defectelor, informatiile sunt stocate pe categorii şi tipuri, există posibilitatea editarii planurilor la scări diferite în funcţie de necesităţi, posibilitatea de suprapunere facilă a releveelor şi profilelor pentru vizualizarea diferitelor fenomene şi diferenţe, posibilitatea de analiză automată pe diferite criterii cum sunt defectele liniare, defecte plane (zone umede, zone cu exfolieri). Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 21 Conturul intradosului tunelelor nu are o geometrie regulată în raport cu axa proprie, iar axa căii ferate nu este dispusă simetric în raport cu axa tunelului. Forma intradosului este influenţată de deficientele execuţiei, de împingerile terenului şi de degradările căptuşeli în timp. Secţiunea utilă interioară a unui tunel, delimitată de intradosul căptuşelii, este obţinută prin măsurători şi apoi verificată. Verificarea se face după urmatoarele criterii: gabaritul de referinţă al materialului rulant, toleranţele materialului rulant, ale căii de rulare şi ale construcţiei, spaţiul suplimentar pentu cintre, catenară, instalaţii, etc. Înfășurătoarea interioară a tuturor profilelor transversale ale intradosului, în raport cu axa căii este definită ca debușeul tunelului. Debușeul tunelului poate fi modificat ca urmare alucrărilor de întretinere a căii de piatră spartă. Aceste lucrări de înreţinere a căi de piatră spartăau caracter obligatoriu şi repetitiv, cea ce duce la acumulări succesive, la deplasări transversale ale axului căii de rulare în plan şi la ridicări ale niveletei în profil longitudinal, de la câţiva milimetri până la zeci de centimetri. Aceste deplasări şi ridicări reduc debuşeul tunelului, chiar dacă structura este stabilă, punând în pericol încadrarea gabaritului. Gabaritul de liberă trecere standard este

impus de STAS-4392, este funcţie de: raza curbei R,supralărgirea spre exteriorul curbei Se, supralărgirea spre interiorul curbei Si, supraînălţarea şinei exterioare h şi sporul distanţei între axele şinelor Sc, valorile acestor elemente se extrag din tabelele. Tunelurile în curbă sunt cele mai expuse modificărilor de această natură, în special prin deplasări transversale spre interiorul curbei. Tunele în curbă prezintă şi o particularitate, care constă în necesitatea unei dezaxări a axei tunelului fată de axa căii, către interiorul curbei, cu o valoare funcţie de raza curbei, pentru a asigura o înscriere corectă agabaritului de circulaţie, acest lucru face şi mai dificilă menţinerea unui debuşeu stabil. Pentru tunelele în curbă, devierile traseului în plan suntmult mai probabile, necesitând verificări ale debuşeului mai frecvente şi deasemenea lucrări de retrasare a axului căii de rulare, de retrasare şi realiniere a niveletei. Pentru verificarea debuşeului tunelelor se parcurg următoarele etape: realizarea releveelor transversale ale intradosului la rosturile dintre inele (figura 4.3); realizarea profilului longitudinal cu stabilirea cotelor NST în dreptul secţiunilor transversale măsurate; poziţionarea gabaritului în fiecare secţiune; stabilirea unei noi nivelete care să satisfacă mai bine condiţiile de exploatare (declivităţi mai putine, grosime minimă a prismei de piatră spartă); raportarea noilor cote ale niveletei pe releveele transversale; determinarea succesivă a poziţiei gabaritului prin translaţii dreapta stânga; retrasarea axului căii în interiorul culoarului stabilit; raportarea noului ax şi repozitionarea finală a gabaritului. N SS- ax tunel- ax CF proiectat- ax CF existentN STGs G dNSS - nivelul superior al sineiNSS - nivelul superior al traverseiG s, G d - distanta intrados gabarit∆ T - dezaxare axa tunel - axa C F∆ C Fp∆ C Fp∆ T

- dezaxare axa CF proiectataxa C F existentFigura 4.3 Releveu intrados la rosturi Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 22 Pentru definirea elementelor prezentate mai sus, în teren se execută ridicări topografice de precizie asupra axului căii 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 căii de rulare existent, axul căi de rulare proiectat. Pe axa căi de rulare existente se suprapun gabaritele de liberă trecere. Se calculează dezaxarea Δt dintre axul tunelului şi axul căi de rulare în fiecare profil şi ΔCFp (dezaxarea între axul existent al căii de rulare şi axul proiectat al căii de rulare). Dacă soluţia de reabilitare propune un ax al căii diferit de cel proiectat se calculează şi ΔCFa (dezaxarea între axul existent al căii de rulare şi axul căii propus). De asemenea, se calculează distanţele orizontale minime ce separa gabaritul de intradosul tunelului, Gd (gabarit dreapta), Gs (gabarit stânga). PORTAL NI TRAREPORTAL EI S RI EKM..... +. .......KM..... +. .......INELE1 2 3 4 5AX CF EXISTENTPLAN DE SITUATIESCARA 1:200AX TUNELAX CF PROIECTAT∆CFp∆T∆∆TCFpToate aceste date se centralizează în tabele utilizate ulterior la retrasarea axului căii de rulare (tabel 4.1).

Km Rost ineleΔT [mm] Gd [mm] Gs [mm] ΔCFp [mm] ΔCFa [mm] 42+982.38 PI/1 42+993.50 1/2...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 23 ȚȚȚLucrările de proiectare şi construcţii-montaj, într-un număr tot mai mare de domenii, sunt nerealizabile fără utilizarea tehnicii măsurătorilor geodezice, ca şi a tehnicilor speciale din construcţii. Utilizarea metodelor de măsurare geodezice în domeniul măsurătorilor inginereşti efectuate în diverse ramuri ale construcțiilor presupune, pe lângă asigurarea cerinţelor de precizie, alegerea aparatelor şi tehnologiilor corespunzătoare. Această alegere este impusă atât de calculele preciziei "a priori" (necesare sau teoretice) – pornind de la o abatere maximă admisibilă dată – cât şi de cunoaşterea tehnologiilor de execuţie şi montaj. Fiecare etapă de realizare ale unei căi de comunicaţie presupune lucrări topografice specifice, la care – în contextul proiectării unor căi de comunicaţii moderne – precizia efectuării măsurătorilor topografice este extrem de ridicată. În acest context, un rol important revine lucrărilor geodezice şi topografice necesare modernizării lucrărilor de artă aferente căilor de comunicații. Din multitudinea de tipuri de lucrări de artă specifice căilor de comunicații se disting – în mod deosebit – tunelele, construcții cu caracter special prin complexitatea soluțiilor de proiectare, a dificultăților în timpul execuției dar şi prin necesitatea existenței unor programe speciale de întreținere, urmărire în timp şi modernizare pe perioada exploatării.

Pornind de la aceste considerente, am ales pentru Studiul de caz al Tezei de Doctorat o aplicație referitoare la aportul lucrărilor geodezice şi topografice în faza de exploatare a unui tunel, fază care presupune – în egală măsură – întreținerea, urmărirea comportării în timp şi modernizarea unei astfel de lucrări de artă. Tunelul Balnaca este situat pe linia C.F. Cluj - Oradea, între stațiile de cale ferată Bratca – Şuncuiuş, Km 598+930.00 – 599+203.50, pe teritoriul judeţului Bihor. Tunelul este situat la aproximativ 50 km de oraşul Oradea, poziționat la deschiderea văii Crişului Repede spre câmpie, într-o zonă de contact între prelungirile munţilor Apuseni şi Câmpia Banato-Crişană. Tunelul are o lungime de 273,50 m şi a fost construit de MAV (Magyar Államvasutak),societate feroviară din Ungaria, între anii 1870-1871. În profil longitudinal linia în tunel este în: rampă 8,0‰. În plan, linia în tunel este în curbă, cu rază continuă de 280 m, racordată la ieşirea din tunel (spre Oradea) cu contracurbă. Înălţimea între NST şi cheia bolţii în tunel este de 6.80 m. În secţiune longitudinală: 2 portaluri (portal intrare L=3.60m şi portal ieşire L=3.60m) şi 53 de inele cu lungimea cuprinsă între 4,00 şi 8,00 m. În secţiune transversală tunelul prezintă 6 tipuri de secţiuni. Lucrări auxiliare: În interior: 10 nişe amplasate alternativ stânga/dreapta; canal evacuare ape lateral dreapta. La exterior: intrare: aripă din moloane pe stânga şi aripă şi zid de sprijin din moloane pe dreapta; ieşire: aripă din moloane pe dreapta. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 24țțțRețeaua de îndesire este compusă din şase puncte: patru puncte determinate prin tehnologii GNSS în perioada 2008 – 2009, în scopul derulării lucrărilor topografice necesare realizării proiectului de modernizare a căii ferate pe tronsonul Braşov – Oradea; două puncte determinate strict pentru realizarea lucrării care face obiectul acestui Studiu de caz, prin măsurători cu stația totală, puncte materializate cu picheți metalici.

Rețeaua de ridicare a fost proiectată ca o drumuire sprijinită la capete pe puncte de coordonate cunoscute, ținând cont de: condițiile din teren (tunel în curbă), vizibilități restricționate, zona de lucru îngustă, traficul feroviar, faptul că măsurătorile ulterioare vor fi efectuate atât clasic cât şi cu sisteme de scanare laser terestră. Având în vedere aceste considerente, rețeaua de ridicare s-a proiectat astfel: puncte de îndesire: 611, 612, 9000, 9001; punctele 107 si 108 poziționate în dreptul portalelor de intrare/ ieşire la aproximativ 3 m de portal, pentru a asigura orientarea la scanarea laser terestră; punctele 101, 103, 104, 105, 106 amplasate în interiorul tunelului, în dreptul nişelor, de o parte şi de alta a axului tunelului, materializate cu picheți metalici; Măsurătorile pentru determinarea coordonatelor punctelor de detaliu (elemente geometrice cale de rulare, nivelul superior al şinei, nivelul superior al traversei), s-au efectuat cuo stație totală de tip Sokkia (de ultimă generație). Punctele de detaliu au fost alese conform temei emise de proiectantul de specialitate: în profil transversal la portal intrare/ieşire, 30puncte în profil; câte două profile transversale pe cele trei secțiuni diferite ale tunelului, la ogive, 30 puncte în profil; puncte din 10 în 10 metri, în profil longitudinal pentru calea de rulare, pat de piatra spartă, banchină, prelungite 200 m în amonte şi aval de portale; puncte caracteristice la intrare/ieşire din tunel, zid de sprijin, şanțuri, copaci, etc. Sistemul de scanare laser L-KOPIA/LKO este un sistem conceput special pentru scanări la calea ferată, atât pe timp de zi cât şi pe timp de noapte, în general, în condiţii de vizibilitate scăzută, (figura 5.1). Este folosit în America de Nord, Europa şi Australia încă din 1993. În acest moment există 35 astfel de sisteme în întreaga lume, din care unul în România, la Regionala CF Braşov. Sistemul este dotat cu un scaner rotativ (la 360 grade), măsurarea distanţelor având la bază principiul măsurării timpului (time of flight – TOF). Este capabil să genereze secţiuni transversale în mod dinamic (sistemul în

mişcare, cu o viteză constantă) sau în mod static (sistemul poziţionat în puncte caracteristice). Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 25Utilizează un sistem de coordonate cu axa X perpendiculară pe axul căii, axa Y pe înălţime şi axa Z pe direcţia de deplasare, care este de fapt kilometrajul căii. În cazul tunelului Balnaca s-a executat o scanare în regim dinamic pornind de la portal intrare km 598+930.00 până la portal ieşire km 599+203.50, deci în sensul de creştere al kilometrajului, cu viteza de 10 km/oră şi 6 scanări statice la portal intrare km 598+930.00, la km 599+014.00 şi km 599+015.00 (zonă de schimbare a secţiunii tunelului – secțiunea se măreşte), km 599+111.00 şi km 599+112.00 (zonă de schimbare a secţiunii tunelului – secțiunea se micşorează), portal ieşire km 599+203.50. Sistemul de scanare laser SCANSTATION 2 (figura 5.2) produs de Firma Leica este un sistem de scanare terestră, care se utilizează cu predilecție în regim static de măsurare, ce poate fi folosit la o gama mare de lucrări în Topografia Inginerească cum ar fi: Documentaţii în ingineria civilă; Managementul construcţiilor; Industrie (platforme industriale – reproiectare / construcţie); Monitorizarea structurilor în diverse domenii ale industriei; Construcţii subterane (tunele, galerii,etc.); Mine, Geologie (exemplu: analiza stocurilor / volumelor); Documentaţii pentru instalaţii tehnice (industria petrochimică, centrale termice, centrale nucleare); Arhitectură, Arheologie, restaurarea situ-rilor istorice; Monitorizarea dezastrelor; Aplicaţii în realitatea virtuală; Documentaţii tehnice pentru domeniul criminalisticii, reconstituirea locului accidentelor de circulaţie, etc.; Planuri urbane (2D, 3D); Instrumentul utilizează pentru măsurarea distanţelor principiul măsurării timpului (time of flight – TOF), pentru măsurarea unghiurilor principiul cu oglinzi oscilante, are un câmp de scanare de 360o în plan orizontal şi vertical.

Scanările la tunelul Balnaca s-au realizat sub forma unei drumuiri sprijinite la capete, sa staţionat şi scanat din punctele 611, 101, 103, 104, 105, 106 şi 612, s-au utilizat trei prisme de vizare de forma circulară (de tip Leica). Scanările s-au realizat independent din fiecare staţie, la rezoluţia de 10 cm la 50 m, cu baleerea (scanare fină) la final a ţintelor aşezate pe trepied sau baston cu trepied de fixare, la rezoluţia de 2 mm la 50 m. Pentru o bună identificare a ţintelor de vizare (prismelor) în norul de puncte, s-au realizat poze în staţiile 611 şi 612 (la exteriorul tunelului), în interiorul tuneluluidin cauza iluminării nu s-au putut realiza poze (tunelul nu are sistem de iluminare). S-a ales Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 26 modul de scanare „target all” ce presupune scanare la 360o atât în plan vertical cât şi în plan orizontal. În urma scanării s-au obţinut fişiere cu norul de puncte în sistem local de coordonate, orientat după regula mâinii drepte: axa X pe direcţia degetului mare, axa Y pe direcţia degetului arătător şi axa Z pe direcţia degetului mijlociu. După cum s-a mai menționat, pentru realizarea dezideratului prezentului Studiu de caz sau efectuat trei tipuri de măsurători. Fiecare dintre aceste metode de măsurare poate conduce la rezolvarea problemelor tehnice solicitate de proiectantul de specialitate şi poate livra produse specifice (topografice) care să constituie suportul pentru proiectarea lucrărilor de modernizare a tunelelor şi a construcţiilor de artă de acest tip. Diferenţa între aceste metode, pe care doresc să o evidenţiez pe parcursul acestei lucrări, constă într-o serie de parametrii referitori la: particularităţi de proiectare a reţelei de ridicare; durata efectuării lucrărilor de teren; numărul de puncte colectate; avantaje şi dezavantaje ale celor trei abordări; precizia de determinare a punctelor caracteristice ale detaliilor topografice necesare; uşurinţa la obţinerea de produse specifice; Prelucrarea măsurătorilor executate cu mijloace clasice de măsurare (stația totală) s-a efectuat cu programul Sipreg şi s-au obținut coordonatele 3D atât pentru punctele de stație cât şi

pentru fiecare punct radiat. În cazul scanării în regim dinamic, măsurătorile s-au prelucrat cu softul producătorului, LKOPIA. Problema dificilă este de a determina poziția sistemului de coordonate al fiecărui cadru (frame) la momentul scanării, deoarece softul aduce punctele preluate într-un cadru pe o secțiune perpendiculară pe direcția de deplasare (kilometrajul căii) şi la mijlocul intervalului de înregistrare setat. Coordonatele 3D ale punctelor preluate au fost încadrate în Sistem de proiecție „Stereografic 1970” şi Sistem de referință „Marea Neagra 1975” (la cererea proiectantului de specialitate) pe baza poziției 3D a punctelor determinate anterior pentru axului căii de rulare, cunoscându-se poziția de plecare, cea de sosire, poziții intermediare, timpul de parcurgere, viteza de deplasare. În urma prelucrării măsurătorilor s-au obținut secțiuni transversale din metru în metru. Prelucrarea măsurătorilor executate cu ScanStation 2 s-au efectuat cu softul Cyclone v. 6.0 produs de Leica Geosystems şi dedicat în exclusivitate procesării măsurătorilor efectuate cu acest sistem de scanare. Prelucrările în cazul scanărilor laser din mai multe puncte presupune asamblarea norilor de puncte obținuți în fiecare punct de stație, care au coordonate într-un sistem local al instrumentului. Această operațiune poartă denumirea de registrațțție. Registrațțția sau georeferențțțierea, când se vorbeşte de un sistem de coordonate unic (național în acest caz), reprezintă procesul de combinare a rezultatelor din diferite poziții ale scanerului laser sau transformarea acestor rezultate într-un sistem de coordonate comun, Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 27 pentru ca norul de puncte rezultat în urma întregii operațiuni de scanare să poate fi utilizat la definirea obiectului sau a zonei scanate, într-un sistem unitar. În cazul tunelului Balnaca, ținând cont de preciziile necesare la determinarea poziției 3D a punctelor, s-a ales registrația bazată pe ținte de vizare, aceasta fiind cea mai precisă metodă de

registrație. Pentru comparația şi controlul registrației, s-au aplicat două metode de registrație pe ținte. Prima metodă a presupus introducerea, cu ajutorul interfeței de control a scanării, pentru fiecare stație de scanare a următoarelor elemente: coordonatele punctului de stație; înălțime instrument; coordonatele punctelor în care s-au amplasat țintele de vizare; înălțimea țintelor. În urma registrației efectuată cu această metodă a rezultat: eroarea absoluta 6 mm, erorile totale ale vectorilor măsurați au valori cuprinse între 2 mm şi 9 mm, erorile vectorilor măsurați pe componente ex cu valori între 0 mm şi 6 mm, ey cu valori între 0 mm şi 9 mm şi eh cu valori între 0 mm şi 6 mm. A doua metodă a presupus realizarea registrației prin metoda drumuirii. S-au introdus: elementele punctelor de plecare: coordonatele punctelor 612, 107; înălțimea instrumentului; înălțimea țintei; elementele punctelor de închidere: coordonatele punctelor 611, 108; înălțimea instrumentului; înălțimea țintei; Pentru registrația realizată prin cea de a doua metodă s-au obținut următoarele rezultate: eroarea absolută 5 mm, erorile totale ale vectorilor măsurați au valori cuprinse între 2 mm şi 10 mm, erorile vectorilor măsurați pe componente ex cu valori între 0 mm şi 4 mm, ey cu valori între 0 mm şi 7 mm şi eh cu valori între 0 mm şi 10 mm. Componenta Software, în funcție de aceste date, realizează automat registrația norilor de puncte. În interfața de diagnostic a registrației se pot urmări: eroarea absolută rezultată, erorile totale ale vectorilor măsurați, erorile vectorilor măsurați (pe componente ex, ey şi eh), parametrii de transformare (translații şi rotații). Dacă valorile erorilor rezultate depăşesc precizia geometrică solicitată a produselor finale, se poate interveni în interfața de control a registrației prin eliminarea anumitor vectori, până la obținerea de rezultate care se integrează în precizia geometrica propusă. țțțțțț țțț

Punctelor obținute în urma prelucrării măsurătorilor (definite ca poziție prin coordonatele lor) au fost raportate într-un mediu CAD (AutoCad), pe baza lor şi a schițelor de teren s-a realizat planul de situațțție al tunelului (pentru scara 1:200). Ca produse grafice necesare proiectării, au mai rezultat: profilul longitudinal în axul căii de rulare (scara lungimilor 1:1000, scara înălțimilor 1:100). Profilul conține: cota de referință (305 m, solicitată de proiectantul de specialitate), cote ax, distanța parțială, declivitate, kilometrajul căii de rulare, kilometrajul existent şi două linii pentru beneficiar: cote ax proiectate, elemente aliniament şi curbe proiectate. Profilele transversale, întocmite din 10 m în 10 m (scara lungimilor 1:100, scara înălțimilor 1:100). S-au realizat 8 profile complete pentru intrados la portal intrare şi portal ieşire, cate două pe cele trei secțiuni diferite ale tunelului, restul sunt pentru calea de rulare. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 28 Profilele conțin: cota de referință (305 m, solicitată de proiectantul de specialitate), cote ax, cote NSS, distanțe parțiale, distanțe cumulate față de ax şi o linie pentru beneficiar: cote proiectate. țțțÎnregistrările preluate de sistemul de scanare L-KOPIA/LKO s-au prelucrat cu softul producătorului, L-KOPIA. Componenta Soft prelucrează independent fiecare cadru (frame) preluat, realizând o secțiune transversală ca medie a înregistrărilor din cadrul respectiv, într-un sistem de coordonate local. Aşa cum am precizat anterior, problema dificilă este de a determina poziția sistemului de coordonate al fiecărui cadru la momentul scanării. Pentru a aduce secvențele scanate într-un sistem de coordonate unic a fost conceput un soft de georeferențiere. Acesta realizează constrângerile pe baza kilometrajului tunelului, măsurat în ax (pornind de la portal intrare), a cotelor şi poziției planimetrice a axului căii de rulare. Rezultatul georeferențierii sunt secțiuni transversale din metru în metru. Cota în ax a profilelor este

determinată prin interpolarea cotelor preluate din teren prin măsurători clasice. Secțiunea este metrică, are pe verticală cota şi pe orizontală distanțțțele stânga – dreapta față de ax. țțțPostprocesările s-au realizat cu softul Cyclone v 6.0. Dacă rezultatele în urma registrației corespund, din punct de vedere geometric şi le considerăm acceptabile (abaterile rezultate se încadrează în precizia solicitată), rezultă norul de puncte sub forma brută, într-un sistem unic de coordonate, în cazul nostru în sistem de coordonate național. O importanta operație în cadrul procesului de postprocesare este filtrarea datelor rezultate, care presupune eliminarea punctelor care nu fac obiectul ariei scanate, îndepărtarea punctelor care conțin zgomote generate de influența vântului, reflecție slabă de pe suprafața scanată, obstacole sau persoane în mişcare, rezoluția de scanare, etc. Este recomandabil ca punctele preluate în plus de instrument să fie eliminate manual de către operator, acesta putând să le identifice foarte uşor, prin analiza ariei scanate. O altă filtrare, automată de data aceasta, s-a realizat pentru eliminarea punctelor foarte apropiate. Instrumentul este setat la începutul scanării pentru o rezoluție de scanare la o anumită distanță (10 cm la 50 m). În momentul scanării, pentru distanțe apropiate de instrument sunt colectate o mare cantitate de puncte care definesc de regulă acelaşi obiect, acestea fiind nefolositoare şi îngreunând lucrul şi gestionarea informației. În cazul tunelului Balnaca, secțiunile transversale la intrados sunt cele mai importante produse solicitate de beneficiar. Crearea secțiunilor se poate realiza individual, prin selectarea a două puncte din secțiunea dorită sau automat, prin impunerea intervalului de secționare. Prima operație pentru obținerea secțiunilor este crearea unui aliniament față de care se execută secțiunile. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 29Secțiunile, ca produs final (figura 5.3), pot fi obținute în sistemul norului de puncte

(sistem națțțional) sau într-un sistem de coordonate local al fiecărei secțiuni, care are originea în axul căii de rulare, axa X orientată transversal pe secțiune, direcția Est (axa Y) pe direcția de deplasare şi axa Z pe verticală. O alta aplicaţie importantă este crearea modelului digital al terenului DEM (Digital Elevation Model ) şi a curbelor de nivel, pentru aceasta softul foloseşte modelul TIN (Triangulated Irregular Networks), care reprezintă o reţea de triunghiuri spaţiale create conform algoritmului propus de Delaunay (figura 5.4). În practica curentă, pentru crearea modelului digital al terenului se folosesc funcţii de modelare sau modele geometrice (Grid, contururi şi TIN). Comparativ cu alte modele, modelul Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 30 TIN are o mulţime de avantaje şi exprimă cel mai bine suprafaţa terenului, având ca unitate de modelare triunghiul. Modelul TIN reduce datele redundante din Modelul Grid mai ales în regiunile în care terenul este frământat şi cu modificări bruşte. Precizia modelului TIN este mai mare decât a altor modele de reprezentare a suprafeţei terenului deoarece foloseşte pentru generarea modelului triunghiuri 3D. Pe baza modelului TIN şi a unui plan de referinţă se poate calcula volumul diferitelor incinte. Se generează un plan de referinţă, acesta poate fi definit în funcție de axele sistemului de coordonate şi printr-un punct de origine, iar softul calculează volumul incintei de la planul de referință până la suprafața generată de modelul TIN. Pentru planul de referință se pot impune mărimea gridului, extensia gridului astfel încăt să acopere volumul ce se doreşte a fi calculat, culoarea şi grosimea gridului. Modelul TIN poate fi folosit şi la generarea curbelor de nivel, se poate impune echidistanţa, numărul de curbe secundare, extinderea curbelor de nivel şi afişarea etichetei curbelor (valoarea curbei de nivel). Pe baza modelului TIN şi a unui plan de referință ales, se pot calcula volumele de umplutură si săpătura pentru a se alege situația cea mai convenabilă din puct de vedere al

volumului de săpătură, al volumului de umplutură, a suprafeţei pe care se sapă şi a suprafeţei pe care se va umple. Se setează poziţia planului de referinţă, pe baza reţelei de pătrate la care se setează lungimea laturii, un tabel cu poziţia colţurilor reţelei de pătrate, cota acestuia, cota de referinţă şi diferenţa între cota de referinţă şi cota teren. Diferenţele sunt pozitive si negative înfuncţie de poziţia planului de referinţă. În fiecare poziţie a planului de referinţă, se obtin volumulde săpătură şi umplutură şi suprafeţele pe care trebuie executată săpătura şi umplutura. Prin încercări succesive se obţine cea mai bună soluţie din punct de vedere tehnic şi economic, pentru sapături şi umpluturi. Softul Cyclone pune la dispoziţie o gama variată de posibilităţi pentru exportul datelor în diferite formate. Acest lucru permite utilizarea produselor rezultate în urma scanării şi în alte softuri pentru diferite aplicaţii, mai ales pentru aplicaţii de modelare, Cyclone nu dispune de facilităţile oferite, la modelare, de softuri dedicate precum: AutoCAD, 3D Max Studio, Adobe Photoshop, Corel Draw. Cele mai cunoscute formate de export sunt: *.dxf (Drawing Interchange Format) - format de text pentru desene CAD recunoscut de majoritatea programelor de proiectare şi grafică asistată; *.coe - format de transfer între Cyclone si AutoCad, MicroStation, PDMS (Plant Design Management System), SmartPlant 3D (Intergraph) utilizează rutina CloudWorx care se instalează ca meniu al softului de bază; *.ptz – formatul de fişier binar propus de Leica; *.sdfn – format de fişier utilizat de softurile Intergraph; *.xml (eXtensible Markup Language) – fişier proiectat în scopul transferului de date între aplicaţii pe intenet, folosit de aplicaţiile AutoCAD Civil 3D; Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 31 *.txt - format de fişier text (ASCII); *.tif(Tagged Image Format) - format de imagine de tip raster (bitmap) utilizat adesea pentru imagini scanate; *xyz – format de fişier de coordonate.

Aşa cum am menţionat mai sus profilele tranversale s-au intocmit prin trei metode: clasic cu staţia totală, cu sistemul de scanare laser L-KOPIA/LKO şi cu sistemul de scanare laser Scanstation 2, profilele executate în aceleaşi puncte au fost suprapuse pentru evidenţierea diferenţelor. Suprapunerea s-a executat pentru profilele obţinute la Km 598+930, portal intrare. În urma suprapunerii am constatat că diferenţele dintre profilele obţinute prin cele trei metode sunt pe ansamblu neglijabile, se constată diferenţe mai mari în zona patului de prismă spartă şi la calea de rulare. Diferenţele sunt justificate prin numărul limitat de pucte determinate cu staţia totală, 30 puncte, faţă de numărul de puncte determinate cu celelalte două sisteme, aproximativ 200 punte cu sistemul de scanare laser L-KOPIA/LKO şi aproximativ 700 puncte cu sistemul de scanare laser Scanstation 2. Diferenţele sunt justificate de influenţa poziţiei de scanare. Pentru evidenţierea diferenţelor, în profilele comune, s-a calculat aria profilelor obţinute prin cele trei metode, rezultatele şi diferenţele de suprafaţă ale profilelor sunt prezentate în tabelul 5.1. După cum se observă, diferenţele între suprafeţele profilelor nu sunt notabile, valorile diferenţelor între sistemul 1 şi 2 şi între sistemul 1 şi 3 sunt sub 0.5 mp, iar între sistemul 2 şi 3 sunt sub 0.1 mp. Km Suprafaţă profil [mp] Diferenţe de suprafată [mp] Obţinut clasic Sistem 1 Obţinut cu L-KOPIA Sistem 2 Obţinut cu Scanstation2 Sistem 3 Sistem 1-2 Sistem 1-3

Sistem 2-3 598+930 31.8096 32.1696 32.2363 0.3600 0.4267 0.0667598+940 - 32.3140 32.4219 - - 0.1079598+960 32.1832 32.4839 32.4899 0.3007 0.3067 0.006599+000 31.9246 32.2553 32.3147 0.3307 0.3901 0.0594599+011 - 32.3435 32.3873 - - 0.0438599+015 37.1538 37.4441 37.4734 0.2903 0.3196 0.0293599+030 - 37.5569 37.6425 - - 0.0856599+050 - 37.9026 37.9894 - - 0.0868599+070 - 37.6477 37.7429 - - 0.0952599+090 - 37.7371 37.7522 - - 0.0151599+100 37.7426 38.0532 38.1006 0.3106 0.358 0.0474599+111 - 37.8195 37.8347 - - 0.0152599+112 32.7622 33.0738 33.1262 0.3116 0.364 0.0524599+135 - 32.4467 32.5047 - - 0.058599+150 - 32.1077 32.1439 - - 0.0362599+180 - 32.5844 32.6321 - - 0.0477599+203.5 32.3953 32.8089 32.8381 0.4136 0.4428 0.0292Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 32 Ca şi în cazul profilelor transversale, axul căi de rulare a fost determinat prin doua metode: clasic cu staţia totală şi cu sistemul de scanare laser Scanstation 2, pentru sistemul de scanare laser L-KOPIA/LKO axul determinat prin ridicări cu staţia totală s-a folosit ca referinţă, deci sunt identice. Sa comparat poziţia planimetrica a axului căii de rulare obţinută prin cele două metode, diferenţele obţinute fiind mai mici sau egale cu 5 mm. Tunelurile în curbă sunt foarte expuse la modificari ale debuşeului, în special prin deplasări transversale spre interiorul curbei. Pentru proiectantul de specialitate determinarea elementelor curbei reale şi compararea acestora cu elementele curbei proiectate are un rol important în alegerea metodei de lucru la reabilitarea tunelului cu consecinţe directe mai ales în costurile modernizării. Elementele curbei proiectate la tunelul Banlaca, se cunosc din proiectare şi din fişa tunelului, elementele curbei reale sunt calculate pe baza măsurătorilor efectuate la nivelul căii de rulare. Pentru o bună reliefare a diferenţelor, în tabelul 5.2 sunt prezentate valorile elementelor principale ale curbei proiectate şi valorile elementelor principale ale curbei reale. Element curbă Curba proiectată Curba reală

U 106.3854g 102.0740g R 280.000m 277.000mβ 93.6146g 97.9263g T 309.593m 286.174m b 137.430m 121.277m lc 467.907m 444.134mDT 151.279m 128.214m c 207.666m 199.033m f 92.184m 84.347m V X= 607133.288m, Y= 313550.901m X= 607128.787m, Y= 313571.918m Ti X= 607058.816m, Y= 313853.099 X= 607059.681m, Y= 313849.622 m Te X= 607424.579m, Y= 313655.772m X= 607404.094 m, Y= 313650.032m B X= 607197.964m, Y= 313672.162m X= 607189.595m, Y= 313676.848mO X= 607329.732m, Y= 313919.219m X= 607328.483 m, Y= 313916.513m Pentru ca proiectantul de specialitate să poată stabili o soluţie viabilă pentru necesitatea retrasării curbei reale pe poziţia proiectată, din masurătorile efectuate, se calculează următoarele elemente: dezaxarea Δt dintre axul tunelului si axul căi de rulare; ΔCFp dezaxarea între axul existent al căii de rulare şi axul proiectat al căi de rulare; distanţele orizontale minime ce separă gabaritul de intradosul tunelului, Gd (gabarit dreapta), Gs (gabarit stanga); Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 33 Datele obţinute pentru dezaxarea Δt şi dezaxarea ΔCFp sau măsurat după suprapunerea curbei reale peste curba proiectată şi peste axul tunelului la fiecare rost dintre inelele tunelului. Dimensiunile rezultate se centralizează în tabele (tabel 5.3), ultima coloană se calculează de către proiectantul de specialitate, dacă soluţia de modernizare impune un ax al căii diferit de cel proiectat, unde ΔCFa este dezaxarea între axul existent al căii de rulare şi axul nou propus al căii de rulare. Pentru determinarea distanţelor orizontale minime ce separă gabaritul de intradosul tunelului, Gd (gabarit dreapta), Gs (gabarit stânga), gabaritul de liberă trecere s-a realizat conform STAS-4392, în funcţie de: raza curbei R, supralărgirea spre exteriorul curbei Se,

supralărgirea spre interiorul curbei Si, supraînălţarea şinei exterioare h şi sporul distanţei între axele şinelor Sc. Valorile acestor elemente se extrag din tabelel: R=277m, Si=Se=131.5mm, Sc=17.3mm, h=150mm. Gabaritul de liberă trecere calculat s-a suprapus în fiecare profil efectuat la rosturile dintre inele (figura 5.6), măsurându-se valorile, Gd (gabarit dreapta) şi Gs (gabarit stânga). Gabaritele extrase se centralizează în aceleaşi tabele cu dezaxările (tabel 5.3), valorile introduse în tabel sunt valori minime ale măsurătorillor într-o secţiune atât la gabarit stânga cât şi la gabarit dreapta. Valoarea minimă acceptată de normativele pentru diferenţa gabarit – intrados este de 220 mm. După cum se observă în tabelul 5.3 valoarea minimă este depăşită pentru anumite rosturi pe partea interioară a curbei din cauza dezaxării axului căi de rulare faţă de axul proiectat. În acest caz, de obicei, se retrasează curba circulară pe poziţia proiectată. Km Rost inele ΔT[mm] Gd[mm] Gs[mm] ΔCFp [mm] ΔCFa [mm] 598+938.10 PI/1 203 158 526 126 598+942.10 1/2 174 205 508 113 598+946.60 2/3 164 158 526 121 598+950.00 3/4 169 293 569 93......... ........ ........ ........ ....... ...... 599+018.50 15/16 282 269 1262 21 ......... ........ ........ ........ ....... ......599+038.50 20/21 188 294 1277 34 ......... ........ ........ ........ ....... ...... După cum s-a menţionat în capitolul IV pentru realizarea băncii de date pentru tuneluri în expoatare, se întocmeşte fişa pentru măsurarea gabaritului la inelele tunelului (figura 5.7). Aceste măsurători se execută în secţiuni impuse de gestionarul tunelului, la intervale de timp de Km 598+938.100.6010.526NSS0.2640.3780.1580.341

Figura 5.6 Calculul valorilor pentru gabaritPerfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 34 maxim 2 ani pentru tunele în curbă. Secţiunile care se relevează sunt aceleaşi la fiecare remăsurare, pentru a se putea compara, se pot impune la fiecare remăsurare secţiuni noi care pe viitor să fie remăsurate. Se recomandă a se releva: o secţiune din 5m în 5m pentru tunele cu lungimea mai mică de 50m; o secţiune din 10m în 10m pentru tunele cu lungimea între 50m şi 100m; o secţiune din 20m în 20m pentru tunele cu lungimea între 100m şi 200m; o secţiune din 50m în 50m pentru tunele cu lungimea între 200m şi 300m; o secţiune din 100m în 100m pentru tunele cu lungimea mai mare de 300m; Fişa conţine următoarele elemente: poziţia kilometrică a secţiunilor care se relevează, măsurători din centrele cercurilor care definesc secţiunea până la intrados, nivelul superior al şinei (NSS), nivelul superior al traversei (NST) I II III IV Vkm 598+930Fundatie NSTExtrados5 621O3489 NSS7masurare intrados la tunelul Banlaca, linia Cluj - Oradea, km 598+930FISAsectiune longitudinala sectiune transversalaDistante de la centru O la punctele 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Anul Secţiunea 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2009 I 3.308 2.865 2.842 3.231 3.427 3.299 3.006 2.834 3.219 II 3.786 3.651 3.702 3.916 3.801 3.409 3.067 2.865 3.203 III 3.857 3.637 3.595 3.755 3.658 3.529 2.970 2.898 3.266IV 4.303 3.803 3.702 3.606 3.341 3.038 2.636 2.637 3.160

V 3.262 2.895 2.931 3.517 3.623 3.338 2.833 2.716 3.044 Şi la utilizarea pentru ridicări a sistemelor de scanare laser, se pune problema transformării coordonatelor din sistemul instrumentului, într-un sistem de referinţă naţional. Softurile de registraţie realizează acest lucru automat fără intervenţia utilizatorului. Pentru a analiza şi înţelege modul de transformare al coordonatelor şi modelele matematice şi stochastice pe care softul pe prelucrare le utilizează s-au ales două variate de transformare de coordonate din sistemul instrument în sistemul naţional de referinţă. Prima variantă presupune o transformare conformă în spaţiul bidimensional (s-a presupus că pentru distanţele scurte măsurate la tunel mai mici de 50 m axele oz ale instrumentului sunt paralele şi coincid cu Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 35 verticala locului), a doua variantă presupune o transformate conformă tridimensională. Rezultatele obţinute, coordonate şi parametrii de transformare, din registraţie, transformare conformă bidimensională şi transformare conformă tridimensională fiind apoi comparate şi analizate. Modele matematice utilizate pentru comparaţie cu rezultatele obţinute prin registraţie sunt: modelul Gauss-Markov şi modelul Gauss-Helmert în spaţiul bidimensional şi tridimensional. Datele de intrare pentru calculul parametrilor de transformare a coordonatelor sunt: coordonatele relative pentru punctele comune ale punctelor reţelei de sprijin extrase din norul de puncte brut (scanarea originală) şi coordonatele comune ale punctelor utilizate la registraţie. Transformarea Helmert este o transformare de coordonate tipică, având patru parametri independenţi şi caracteristica ei este că forma adevarată este păstrată după transformare. Această transformare este un proces în trei etape care implică: • scara, pentru a crea dimensiuni egale în cele două sisteme de coordonate • rotaţia, pentru a suprapune în mod paralel cele 2 axe de referinţă ale celor două sisteme • translaţia, pentru a crea o origine comună pentru cele două sisteme de coordonate.

Modelul matematic şi stochastic Gauss – Helmert, aplicat în transformările de coordonate uzuale (polinomiale, ortogonale, afine) în spaţiul 2D, spre deosebire de metoda obişnuită Gauss – Markov, în care numai un set de coordonate (de obicei cel istoric) se consideră afectat de erori, iar matricea cofactorilor acestui set se foloseşte egală cu matricea unitate, în lucrare ambele sisteme de coordonate, atât cel actual cât şi cel istoric se consideră ca observaţii, deci ambele cu erori, iar matricea cofactorilor diferă de matricea unitate. Dacă se dispunem de punctele de coordonate cunoscute în două sisteme de coordonate x ((( z,y,x ))) LOC === LOC, reprezentând coordonate în sistemul instrumentului de scanare şi X ((( Z,Y,X ))) N === N, reprezentând coordonate în sistemul naţional, se poate realiza o transformare tridimensională între cele două sisteme conform relaţiilor cunoscute: X X (((1 m)))*R * xLOC0N=== +++ +++ (5.1) unde: X0 =vectorul de poziţie dintre originile celor doua sisteme m=factorul de scara Pentru transformarea coordonatelor este nevoie de 7 parametrii X0,Y0,Z0,εεεX,εεεY,εεεZ,mcare se calculează pe baza unor puncte comune ambelor sisteme pentru m ≥≥≥ 3 puncte comune. Pentru comparaţie s-au calculat parametrii de transformare pentru punctul 103. Se observă că valorile parametrilor de transcalcul atât translaţii cât şi rotaţii diferă foarte puţin în cele trei situaţii. Utilizărea modelelor Gauss-Markov şi Gauss-Helmert ne pune la dispoziţie, matricea cofactorilor, factorul de scară, posibilitatea de calcul a preciziilor parametrilor de tramsformare. Softul Cyclonul pune la dispoziţie un raport care conţine doar translaţiile şi

rotaţia în plan orizontal. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 36 Noile tehnologii de scanare laser, care au revoluţionat tehnica măsurătorilor şi în domeniul topografiei inginereşti, pot fi folosite cu succes în cazul ridicărilor efectuate la modernizarea tunelelor, utilizarea lor aducând beneficii importante atât din punct de vedere tehnic cât şi din punct de vedere economic. În lucrarea de faţă s-a dorit, în primul rând, analizarea performanţelor sistemelor de scanare laser terestre în raport cu tehnologiile clasice de măsurare, în condiţii specifice lucrărilor de artă la căi de comunicaţii (tunele) şi în al doilea rând, realizarea unei metodologii deutilizare a sistemelor de scanare laser în acest domeniu . Analiza sa efectuat din prisma abordării globală a problematicii specifice modernizării tunelelor, pornind de la realizarea reţelei de sprijin, măsurători, prelucrări, precizii până la obţinerea produselor finale (planuri de situaţie, profile, secţiuni) inclisiv posibilităţi de export adatelor. Pentru o comparaţie obiectivă s-au utilizat două sisteme de scanare laser, un sistem utilizat în regim static Scanstation2, un sistem specific căilor ferate, utilizat în regim dinamic LKOPIA/LKO şi o staţie totală. Concluzii din punct de vedere a realizării reţelei de ridicare: Sistemul de scanare laser Scanstation2 şi staţia totală comportă aceaşi abordare din punct de vedere al materializării punctelor reţelei de ridicare; Din prisma proiectării reţelei de ridicare, la utilizarea sistemelor de scanare în regim static trebuie să se efectuată o analiză riguroasă din punct de vedere a vizibilităţilor, nu numai între punctele de staţie ci şi către obiectele care vor fi scanate, pentru eliminarea acoperirilor şi umbrelor, acest lucru presupune de obicei mai multe staţii de scanare; La efectuarea măsurătorilor cu staţia totală este recomandat ca acestea să fie efectuate independent pentru reţea faţă de măsurătorile pentru detalii, la sistemele de scanare acestea se execută concomitent (erorile de centrare, calare sunt mult diminuate);

Sistemele de scanare laser nu au nevoie de surse auxiliare de iluminat absolut necesare în cazul utilizării tehnologiilor clasice la tunele; Sistemul dinamic L-KOPIA/LKO nu necesită în mod special realizarea unei reţele de ridicare, instrumentul se bazează pe măsurarea kilometrajului căii de rulare şi axul acesteia pentru constrângerea măsurătorilor. În cazul în care se doresc precizii ridicate, absolut necesare pentru domeniul tunele, trebuie realizătă o poziţionare riguroasă a axului căii, a punctului de start şi final a măsurătorilor, cu alte tehnologii. Concluzii din punct de vedere a efectuării măsurătorilor: Utilizarea sistemelor de scanare laser la efectuarea măsurătorilor presupune o minimă intervenţie din punctul de vedere al operatorului, pentru sistemul Scanstation2 este necesară calarea, centrarea instrumentului şi setarea parametrilor de scanare, pentru sistemul L-KOPIA/LKO este necesară poziţionarea pe calea de rulare şi setarea parametrilor de scanare; Sistemul Scanstation2 nu necesită închidere de linie, aceasta necesiţând aprobări speciale; Timpul de efectuare a măsurătorilor cu sisteme de scanare se reduce considerabil, acest beneficiu se regăseşte în costurile lucrării; Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 37 Numărul de puncte achizitionate întru-un interval de timp scurt este foarte mare, acest lucru ajutând la interpretarea foarte corectă a obiectelor scanate chiar de mici dimensiuni; Utilizarea sistemelor de scanare aduce posibilitatea de utilizare a datelor măsurate în timp real; Sistemul Scanstation2 permite realizarea de fotografi de înaltă rezoluţie care pot fi referenţiate şi utilizate ca suport pentru analiza datelor şi preluare de texturi la modelare; La sistemele de scanare se pot ataşa camere fotografice sau sisteme video speciale cu ajutorul cărora se pot obţine date pentru cartarea defectelor la intrados; Concluzii din punct de vedere a prelucrării măsurătorilor: Sistemele de scanare laser au softuri de prelucrare atât pentru registraţie cât şi pentru analiză şi interpretare, de obicei sunt modulare şi nu necesită resurse deosebite; Softurile de prelucrare a măsurătorilor rezultate în urma scanării au în componenţă mai

multe metode de compensare şi registraţie, acest fapt dă posibilitatea utilizatorului să aleagă metoda adecvată de prelucrare în funcţie de caracteristicile studiului care se efectuează. Rapoartele cu rezultatele putând fi analizate, comparate şi evaluate pentru realizarea de statistici; Filtrarea datelor rezultate (a norului de puncte) care presupune eliminarea punctelor care nu fac obiectul ariei scanate, îndepărtarea punctelor care conțin zgomote generate de: influența vântului, reflecție slabă de pe suprafața scanată, obstacole sau persoane în mişcare, rezoluția de scanare, eliminarea punctelor prea apropiate, se realizează automat la paremetrii definiţi de utilizator; Crearea secţiunilor, profilelor longitudinale şi transversale se realizează automat, prin impunerea intervalului de secţionare. Secţiunile şi profilele, ca produs final, pot fi obţinute în sistemul norului de puncte (sistem naţional) sau într-un sistem de coordonate local al fiecărei secţiuni pentru comparaţii relative în timp real; O alta aplicaţie importantă care se realizează cu programele de procesare şi postprocesare a datelor obţinute în urma scanării este crearea modelului digital al terenului DEM (Digital Elevation Model ) şi a curbelor de nivel, pe baza modelul TIN (Triangulated Irregular Networks); Se pot calcula automat pe baza unui plan de referinţă ale volumele ale incintei tunelului, arii ale secţiunilor şi de asemenea volume de umplutură si săpătura; Obţinerea elementelor geometrice ale căii de rulare este facilă, existând posibilitatea de comparare cu elementele proiectate; Încadrarea gabaritelor standard în secţiunile realizate pentru verificarea debuşeului tunelului; Softul de gestiune a registraţiei şi a prelucrării pune la dispoziţie o gama variată de posibilităţi pentru exportul şi importul datelor în diferite formate. Acest lucru permite utilizarea produselor rezultate în urma scanării şi în alte softuri pentru diferite aplicaţii, mai ales pentru aplicaţii de modelare şi randare. Formatele cele mai utilizate de export şi import sunt pentru softuri dedicate precum: AutoCAD, 3D Max Studio, Adobe Photoshop, Corel Draw;

Este posibilă şi exportul şi importul datelor, între diverse softuri de registraţie, analiză şi prelucrare a norilor de puncte. Acest fapt duce la posibilitatea de utilizare a celor mai bune rutine implementate în aceste produse de prelucrare şi care sunt scoase pe piaţă de diferiţi producători de sisteme de scanare laser; Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 38 Contribuţii: Realizarea măsurătorilor specifice tunelurilor cu o staţie totală şi cu două sisteme de scanare laser: sistemul Scanstation2 utilizat în regim static, şi sistemul L-KOPIA/LKO în regim dinamic şi obţinerea unor concluzii clare privind următorii parametri: posibilităţi şi condiţii de utilizare, timp de execuţie, număr de puncte colectate; Prelucrarea observaţiilor obţinute cu cele trei sisteme prin mai multe metode şi compararea lor pentru o analiză pertinentă a următorilor parametri: impunerea unei metode de prelucrare a datelor pentru domeniul tunele, necesitatea realizării unei reţele de ridicare speciale, precizii obţinute la realizare a reţelei de ridicare, precizii de poziţionare a vectorilor măsuraţi, acurateţea măsurătorilor; Obţinerea de produse finale specifice şi necesare la proiectarea lucrărilor de modernizare a tunelelor pornind de la: planuri de situaţie şi coordonate 3D ale punctelor caracteristice tunelului, continuând cu: profile longitudinale, transversale şi secţiuni, calcul de volume, suprafeţe, volume de umplutură şi volume de săpătură, generarea de modele ale terenului şi modelare, până la: încadrarea gabaritului de liberă circulaţie, realizarea fişei tunelului şi cartarea defectelor la intrados; Analiza posibilităţilor de obţinere a elementelor geometrice ale căii de rulare şi ale tunelului (elemente principale curbă, ax cale de rulare, ax tunel, gabarite) şi compararea acestora cu elementele proiectate; Calculul valorilor de dezaxare specice elementelor geometrice ale tunelelor, şi a valorilor de încadrare în gabaritul de liberă circulaţie, valori pe baza cărora se impun, de către proiectantul de specialitate, soluţiile de modernizare a tunelului în cea ce priveşte retrasarea axului căii, retrasarea niveletei, posibilităţi de electrificare, etc.;

Analiza modelelor stochastice de transformare de coordonate specifice softurilor de prelucrare a măsurătorilor obţinute prin scanare, utilizate pentru registraţia norilor de puncte multiplii; Compararea parametrilor de transcalcul obţinuţi prin aplicarea transformăriilor Helmert în spaţiul bidimensional şi tridimensional cu parametri transcalcului rezultaţii în urma registraţiei cu softul Cyclone; Prezentarea modalităţilor de export al datelor în diferite softuri de prelucrare, de utilizare combinată a rutinelor din diferite aplicaţii de gestionare a norilor de puncte şi produse CAD, pentru o cât mai facilă rezolvare a multitudinii de propleme ce apar la întocmirea documentaţiilor de modernizare a tunelelor. Perspective: Analizarea posibilităţilor de urmărire a comportării în timp şi a evoluţiei deformaţiilor la tunele cu ajutorul tehnologiilor de scanare laser, efectuarea unei aplicaţii practice în acest domeniu; Extinderea modului de efectuare a măsurătorilor cu tehnologii de scanare laser la alte construcţii de artă precum poduri şi viaducte. Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 39 1 Abdelhafiz, A.; Niemeier, W. Developed Technique for Automatic Point Cloud Texturing from Multi Images Applied to a Complex Site ISPRS commission V Symposium, Dresden, Germany, 25-27 Sept. 2006 2 Abdelhafiz, A.; Niemeier, W. Automatic Texturing For Laser Scanner Meshes 8th Conf. Optical 3-D Measurement Techniques, Zurich, Switherland, 9-12 July 2007 3 Acca, D. Full Automatic Registration of Laser Scanner Point Clouds Optical 3-D Measurement Techniques VI, Zurich, Switzerland, September 22-25, 2003, vol.I, 4 Aebi, U.; Eugster, H.

Laserscanning & 3D-Modellierung Vertiefungsblock am IGP der ETH Zürich, 2004 5 Balzani, M.; Pellegrinelli, M.; Perfetti, N.; Russo, P.; Uccelli, F. Terrestrial 3D laser scanner: preliminary accuracy test. 2001 Workshop on 3D Digital Imaging and Modelling applications in Heritage 6 Bernardini, F.; Martin, I.; Rushmeier, H. High-quality texture reconstruction from multiple scans IEEE Trans. On Visualization & Computer Graphics, Vol. 7, 2001 7 Boehler, W. Comparison of 3D laser scanning and other 3D measurement techniques Recording, Modelling and Visualisation of Cultural Heritage Taylor & Francis, London, UK. 513, 2005 8 Boehler, W.; Bordas Vicent, M.; Marbs, A. Investigating Laser Scanner Accuracy Proceedings of XIXth CIPA Symposium, Antalya, Turkey, 30.09 – 04.10.2003 9 Boehler, W.; Heinz, G.; Marbs, A. The Potential of Non-Contact Close Range Laser Scanners for Cultural Heritage Recording CIPA International Symposium, Potsdam, Germany, 2001 10 Boehler, W.; Heinz, G.; Marbs, A.; Siebold, M. 3D Scanning Software Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Corfu, Greece, 2002 11 Caprioli, M.; Scognamiglio, A. Photogrammetry and laser scanning in surveying and 3D modelling of architectural heritage

FIG Working Week 2003, Paris, France,12 Coşarcă, C. Topografie inginerească Editura MatrixRom, Bucureşti, 200313 Coşarcă, C. Sisteme de măsurare în industrie Editura Conpress, Bucureşti, 200914 Coşarcă, C.; Neuner, J.; Didulescu C. Scanare Laser Terestră – O nouă tehnică în Topografia Inginerească Buletinul Ştiinţific al Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti, 2005 15 Crippa, B.; Malinverni, E.; Tucci, G. Complex Surface Representation Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXII, Part 6W4 16 Danciu, V. Teoria prelucrării măsurătorilor geodezice - Partea I Editura Conspress, Bucureşti, 200317 Danciu, V.; Rus, T. Cazul general de compensare aplicat în transformările de coordonate Buletinul Ştiinţific al U.T.C.B., nr.3, Bucureşti, 2002 18 Dragomir, P. I. Note de curs Universitatea Tehnică de Construcţii, Bucureşti, 2006 19 Dragomir,I. P.; Tamaioaga, Gh.; Mihailescu, D.; Turcanu, R. Topografie inginereasca Editura CONSPRESS, Bucureşti, 200020 Dragomir, P. I. Topografie Generală Institutul de Construcţii Bucureşti, 199221 Dragomir, P. I.; Rus T.; Dumitru, P. Integrarea Reţelei Naţionale de Staţii GPS Permanente în Reţeaua Europeană EUPOS Conferinţa Tehnologii Moderne pentru Mileniul III, Oradea, 2005 22 Dragomir, P. I.; Mihăilescu, D.; Tămâioagă, Gh.; Ţurcanu R. Topografie Inginerească Editura Conpress, Bucureşti, 200023 Edelsbrunner, H. Geometry and Topology for Mesh GenerationCambridge University Press, Cambridge. Cambridge Monographs on Applied and Computational Mathematics, No. 7, 2001

24 Elkharachy, I Towards an automatic registration for PhD Thesis, Institute of geodesy and Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 40 terrestrial laser scanner data photogrammetry, Technical university Braunschweig, Germany, 200825 Fangi, G.; Fiori, F.; Gagliardini, G.; Malinverni, E. S.Fast and accurate close range 3D modelling by laser scanning system18th Int. Symposium of CIPA, Potsdam, Germany, 200126 Fardin, N.; Feng, Q.; Stephansson, O. Insitu mapping and documentation of rock faces using a fullcoverage 3D laser scanning technique Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol 41 (3)., Paper 1A 23 Sinorock 2004 symposium 27 Fotescu, N.; Danciu, V. Măsurători Terestre Fundamente, Volumul II, Modulul D – Prelucrarea măsurătorilor geodezice Editura Conspress, Bucureşti, 200428 Gordon, S.; Lichti, D.; Stewart, M.; Tsakiri, M. Metric Performance of a High- Resolution Laser Scanner Proceedings of SPIE, 200129 Gordon, S. J.; Lichti, D.; Stewart, M. Application of a highresolution, groundbased laser scanner for deformation measurements Proceedings of 10th International FIG Symposium on Deformation Measurements, Orange, California, 19 22 March 30 Gramatikopoulos, L.; Kalisperakis, I.; Karras, G.; Kokkinos, T.; Petsa, E. Automatic Multi-Image Phototexturing of 3D Surface Models Obtained With laser Scanning CIPA International Workshop on "Vision Techniques Applied to the Rehabilitation of

City Centers", Lisbon, 25-27 October, 2004 31 Haertl, F.; Heinz, I.; Fröhlich, C. Semi - Automatic 3D CAD Model Generation of As - Built Conditions of Real Environments using a Visual Laser Radar Workshop on Robot and Human Interaction Roman 2001, Paris 32 Iftimie, T. Intreţinerea, reabilitarea şi reconstrucţia tunelelor Editura ASAB, Bucureşti, 200233 Ingensand, H.; Ryf, A.; Schulz, T.; Performances and Experiences in Terrestrial Laser scanning Optical 3-D Measurement Techniques VI, Gruen/Kahmen, 2003 34 Jacobs, G. Registration and Geo-Referencing Professional Surveyor Magazine, 200535 Jansa J.; Studnicka N.; Forkert G.; Haring A.; Terrestrial Laserscanning and Photogrammetry -Acquisition Techniques Proceedings of the ISPRS XXth Congress, Vol XXXV, Part B/7, Istanbul, July 12 – 23, 2004 36 Jaselskis, E.J.; Gao, Z.; Welch, A.; O’Brien, D.Pilot Study on Laser Scanning Technology for Transportation ProjectsMid-Continent Transportation Research Symposium, Ames, Iowa, August, 2003 37 Johansson, M. Explorations into the Behaviour of three Different High-Resolution Ground based Laser Scanners in the Built EnvironmentProceedings of the CIPA WG 6 International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording, Corfu, Greece, 2003 38 Kersten, Th.; Sternberg, H.; Mechelke, K. Investigations into the Accuracy Behaviour of the Terrestrial Laser

Scanning System Trimble Optical 3D Measurement Techniques VII, Gruen & Kahmen (Eds.), Volume 1, 2005 39 Kurisake, N.; Che, W.; Natane, C. Application of 3D measurement with ground laser scanner Videometrics and Optical Methods for 3D Shape Measurement, 2223 January 2001 40 Lichti, D.; Harvey, B.The Effects Of Reflecting Surface Material Properties On Time-Of-Flight Laser Scanner MeasurementsSymposium of Geospatial theory, processing and applications, Ottawa, 200241 Marbs, A. Experiences with Laser Scanning at i3mainz CIPA, Heritage Documentation - International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording, Corfu, Greece, 200242 Mechelke, K.; Kersten, T.; Lindstaedt, M Comparative investigations into the accuracy behaviour of the new generation of terrestrial laser scanning systems International Conference on Optical 3-D Measurement Techniques VIII, Zurich, Switzerland, 9-12 July 2007 43 Moldoveanu, C. Geodezie. Noţiuni de geodezie fizică şi elipsoidală, poziţionare Editura Matrix Rom, Bucureşti, 200244 Moldoveanu, C. Reţele geodezice de sprijin.” Curs postuniversitar de perfectionare Editura Conspress, Bucureşti, 200445 Moldoveanu, C. Posibilităţi de prelucrare a observaţiilor GPS Revista de geodezie, cartografie şi cadastru, volumul 8, nr. 1, 1999 46 Neuner, J. Sisteme de Poziţionare Globală Editura Matrix Rom, Bucureşti, 200047 Neuner, J.; Coşarcă, C.; Călin A. Asistenţă tehnică la realizarea reţelei geodezice de sprijin pentru proiectul de

reabilitare a căii ferate Bucureşti – Constanţa Contract de cercetare ştiinţifică, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, 2005 48 Onose, D. Topografie Editura Matrix Rom, Bucureşti, 2003Perfecțțționări ale lucrărilor topografice i geodezice în domeniul căilor de comunicațțții 41 49 Pfeifer, N.; Dorninger, P.; Haring, A.; Fan, H. Investigating terrestrial laser scanning intensity data: quality and functional relations International Conference on Optical 3-D Measurement Techniques VIII, Zurich, Switzerland, 9-12 July 2007 50 Ripperda, N.; Brenner, C. Marker-Free registration of terrestrial laser scans using the normal distribution transform ISPRS Workshop on Virtual Reconstruction and Visualization of Complex Architectures, Mestre-Venice, Italy, 22-24.08.2005 51 Rus, T.; Neuner, J.; Danciu, V. Studiu privind poziţionarea D-GNSS în timp real Buletinul Ştiinţific al U.T.C.B., nr.2, Bucureşti, 2005 52 Sărăcin, A. Ridicări topografice speciale Editura CONSPRESS, Bucureşti, 2008 53 Sărăcin, A. Aspecte privind măsurătorile de control la execuţia tunele Revista de geodezie, cartografie şi cadastru, vol. 7, nr. 1-2, Bucureşti 1998 54 Sărăcin, A. Unele aspecte privind măsurătorile geodezice de control la executarea tunelelor mari Buletinul Ştiinţific, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, nr. 1/1998, Bucureşti 1998 55 Schulz, T.; Ingensand, H. Investigations and Applications for High Precision Scanning Proceedings of the "FIG Working Week - The

Olympic Spirit in Surveying", Athens, 2004 56 Schulz, T.; Ingensand, H.; Steiner, M. Laser Scanning and Noise Reduction Applied to 3D Road Surface Analysis Proceedings of the FIG Working Week,2005 57 Schulz, T.; Ingensand, H. Influencing Variables, Precision and Accuracy of Terrestrial Laser Scanners INGEO 2004 and FIG Regional Central and Eastern European Conference on Engineering Surveying, Bratislava, Slovakia, November 11-13, 2004 58 Staiger, R. Terrestrial Laser Scanning – Technology, Systems and Applications Regional Conference FIG, Marrakech, Morocco, 2003 59 Sternberg, H.; Kersten, T.P. Comparison of Terrestrial Laser Scanning Systems in Industrial As-BuiltDocumentation Applications Conference on Optical 3D Measurement Techniques VIII, Zurich, Switzerland, July 9-12, 2007 60 Stephan, A.; Mettenleiter, M.; Härtl, F.; Heinz, I.; Laser-Sensor for As-Built Documentation Symposium on Geodesy for Geotechnical and Structural Engineering, Berlin, 21.-24.05.2002 61 Ursea, V.; Dragomir P. I.; Mihăilescu, D.; Popescu, D Îndrumător pentru lucrări practice şi proiect de topografie inginerească Institutul de Construcţii, Bucureşti, 198662 *** Manualul Inginerului Geodez Editura Tehnică, Bucureşti, 197163 *** Leica Geosystem HDS LLC European Office – Training Manual – HDS and Cyclone Training Triebstrade 14 80993 Munich, Germany64 www.3rdtech.com65 www.faro.com/66 www.flimap.nl/67 www.fugro.com/68 www.gim-international.com

69 igi-systems.com/70 www.konicaminolta.com/71 www.leica.com72 www.maptek.com/products/i-site/73 www.optech.ca/74 www.riegl.com/75 www.rompos.ro/76 www.toposys.com/77 www.trimble.com/78 www.zf-laser.com/