Analýza nerovností povrchu vozovky z mračna bodů

Tags: Anylýza | Atlas | DMT | GIS | Nerovnosti | Vozovky

Určování nerovností povrchu vozovek patří u komunikací ke standardně a opakovaně kontrolovaným geometrickým parametrům dopravních staveb jak u nových staveb, tak i u provozovaných pro účely jejich údržby a oprav. Nerovnost vozovky významně ovlivňuje životnost komunikací, jízdní komfort a bezpečnost provozu.

Obsahem článku je popis alternativního způsobu plošného vyhodnocení nerovností vozovek z mračna bodů, pořízeného laserovým skenováním nebo fotogrammetrickými metodami s využitím funkcí softwarového systému ATLAS DMT na ploše matematického digitálního modelu povrchu.
Pomineme-li lokální poruchy, patří k základním sledovaným kategoriím nerovností vozovek podélné a příčné nerovnosti (včetně hloubky vyjetých kolejí a teoretické hloubky vody v nich). Pro měření a vyhodnocení nerovností se používá celá řada technologií a metod od manuálního určení nerovnosti měřícím klínkem pod přiloženou latí, až po komplexní vyhodnocení vlastností vozovky měřícím multifunkčním vozidlem (např. systémy ARAN nebo ARGUS).

Hodnoty nerovností jsou obvykle vyjadřovány odlehlostí povrchu vozovky od referenční přímky, definované buď matematicky, nebo přímo přiložením latě na vozovku. Pro hodnocení podélných nerovností je používán i mezinárodní index nerovnosti IRI (International Rougness Index), který vystihuje úroveň komfortu jízdy v daném úseku vozovky.

Česká SW firma Atlas využila svoje dlouholeté zkušenosti ve vývoji programového produktu pro tvorbu a analýzy digitálních modelů terénu, založených na nepravidelné trojúhelníkové síti, a svojí poslední verzí software ATLAS DMT v.7 definitivně vstoupila do oblasti podpory rozsáhlých modelů, založených na mračnu bodů (nyní až 666 milionů bodů v jednom modelu).

Alternativní analýza nerovností vozovky z mračna bodů

V souvislosti s rozvojem neselektivních geodetických metod sběru dat, využívajících technologie bezdotykových měření laserovými skenery, a navýšením výpočetního výkonu počítačových systémů se rozvíjejí i nové způsoby pro plošné vyhodnocení a analýzy povrchů vozovek z mračna bodů.

Ve spolupráci se specialisty z praxe vznikla ve firmě Atlas ucelená technologie pro analýzu nerovností vozovek, tvořená sběrem dat, jejich zpracováním, softwarovou analýzou a matematickou i grafickou interpretací. Cílem tohoto technického řešení je vytvoření technologie pro ekonomickou a operativní identifikaci výskytu nerovností na provozované vozovce posouzením několika způsobů plošně vyhodnocených parametrů nerovností nad mapou komunikace.

V závislosti na charakteru a rozsahu indikované nerovnosti pak následuje cílená prohlídka správce komunikace v terénu a případná volba metody dalšího detailního doměření, je-li třeba poruchu detailněji dokumentovat a porovnat s přípustnými odchylkami podle normy nebo smluvními technickými podmínkami. Technologie je pojata zejména jako podpora reklamačního řízení při konci záruční doby vozovky.

Postup určení nerovností vozovek z mračna bodů

Pořízení vstupních dat

S ohledem na rozsah kontrolovaných komunikací (v desítkách kilometrů) se pro prvotní sběr prostorových dat předpokládá použití metody mobilního laserového skenování z jedoucího automobilu s důrazem na vysokou relativní přesnost určení výšek bodů. Mračno bodů z mobilního skenování (s odpovídající technologií pořízení dat a zpracování) v kombinaci s velkým množstvím a vysokou hustotou zaměřených bodů má dostatečnou relativní výškovou přesnost potřebnou pro posouzení nerovností ve vztažné oblasti (desítky metrů), která umožní indikaci nerovností již od 1 cm.

Přesnost a kvalita výstupů je přímo závislá na kvalitě pořízených dat, kterou předurčuje přesnost skeneru, kvalita inerciální jednotky při mobilním skenování a podrobnost zaměření. Na relativní geometrickou přesnost bodů na povrchu vozovky má pozitivní dopad i měření dvojicí skenerů na vozidle a jejich osazení šikmo ke směru jízdy. Výsledkem této fáze a vstupem pro další zpracování (generace modelu) je georeferencované mračno bodů povrchu vozovky.

Plošná analýza dat na digitálním modelu povrchu

Následné softwarové vyhodnocení povrchu vozovky dokáže s vysokou mírou automatizace obsáhnout rozsáhlé zájmové území ve velké podrobnosti a umožňuje identifikaci typů nerovností, které běžné měření v terénu ani pohledová kontrola neodhalí.

Digitální model povrchu je generován z optimalizovaného mračna bodů povrchu vozovky. Většina analýz je řešena na plnohodnotném digitálním modelu povrchu v nepravidelné trojúhelníkové síti. Bodové mračno je prostorově homogenizováno, hustota bodů přizpůsobena parametrům výstupních vlastností, a poté vytvořen digitální model terénu. Při tomto kroku je důsledně dbáno na to, aby nedošlo ke ztrátě nosné informace.

Technologie je náročná na výpočetní výkon i datový prostor. Pro praktické použití je významný výstup ve formě plošné grafické interpretace určovaných hodnot. Výpočet se uskutečňuje v hustých profilech snímaných z modelu vozovky a výsledky jsou zobrazeny nově vytvořeným modelem hodnot nerovnosti a to plošně v hypsometrické barevné škále.

Z digitálního modelu povrchu vozovky jsou automaticky generovány všechny základní kategorie nerovností v plošné verzi výstupů: podélné nerovnosti podle mezinárodního indexu IRI (obr. 1), podélné nerovnosti pomocí simulace měření 4m latí, příčné nerovnosti simulací měření 2m latí (obr. 2) a hloubka vody ve vyjetých kolejích.

Pro úlohu obecné analýzy identifikace nerovností na ploše byla nad rámec hodnotících metod normy ČSN 73 6175 vyvinuta a aplikována vlastní technologie pro určení místní nerovnosti v lokální oblasti. Na rozdíl od předchozích metod, tato analýza indikuje nerovnosti obecně (nezávisle na směru) a významně pomáhá identifikovat problematická místa. Spočívá v hodnocení odchylek bodů od proložené roviny v příslušném okolí každého bodu. Právě volbou velikosti okolí lze nastavit velikost a charakter analyzovaných nerovností z hlediska vlnové délky nerovností (obr. 3).

Indikace nerovností - výstupy

Výsledkem je analýza nerovností pro identifikaci problémových míst povrchu z hlediska rovinnosti povrchu a plošná indikace podélných a příčných nerovností na celé ploše vozovky s určením jejich hodnot, a to včetně průběhu plochy plnohodnotného podrobného modelu vozovky. Stínovaná plocha standardního modelu doplňuje vizuálně informaci v problematických místech.

Forma výstupu je volitelná – od modelu povrchu vozovky a plnohodnotných plošných modelů jednotlivých analyzovaných nerovností až po úsporné bitmapové interpretace (georeferencované bitmapy, WMS server). Poměrně unikátní je možnost interpretace koeficientu IRI v podélném profilu.

Detailní následná kontrola indikovaných lokalit s nerovnostmi

Druhým krokem (po předchozí plošné analýze, která indikuje problematická místa, a po prohlídce v terénu) je detailní plošné měření – nejčastěji s použitím shodných SW nástrojů jako u plošné analýzy, ale s využitím přesnějších vstupních dat získaných např. statickým skenerem, geodetickou multistanicí Leica MS50, blízkou pozemní fotogrammetrií. Standardní variantou je použití klasických metod měření (2m nebo 4m lať, měřené přesné profily).

Testovací projekt

V rámci vývoje systému byl koncem roku 2014 uskutečněn poměrně rozsáhlý testovací projekt, kdy byl zaměřen a vyhodnocen celý stavební úsek dálnice D1 po 5 letech provozu v délce 18 km. Data byla poskytnuta správci komunikace a na základě zhodnocení dosažených výsledků probíhá další vývoj technologie a softwarového řešení. Výstupy byly klientovi zpřístupněny ve webové aplikaci a kontroly byly doplněny rozsáhlým profilovým měřením v přechodových oblastech mostů.

Závěr

Popsaný postup nabízí ucelenou technologii zejména pro správce komunikace a projektanty oprav při identifikaci nerovností vozovek (obecně prostorových poruch povrchů vozovek) s využitím nových technologií prostorového neselektivního sběru dat. Výhodou technologie je výsledná plošná informace o nerovnostech, kterou lze získat bez omezení provozu a umožní soustředění kapacit až na takto vytipovaná problémová místa.

V souvislosti s rychle se rozvíjejícími moderními měřickými technologiemi lze očekávat jejich stále se zlepšující technické parametry – zejména pro tento účel důležitou prostorovou přesnost.

Souběžně s výstupy pro analýzu nerovností je možné vytvořit i standardní digitální model povrchu (po zředění a generalizaci), využitelný pro projektové účely – přesnost lze u dat z mobilního skenování zvýšit následnou výškovou kalibrací modelu vlícovacími body na vozovce.
Další kontrolní měření a testování ukáže zda (případně do jaké míry) mohou tyto alternativní metody nahradit i standardní postupy určování nerovností vozovek.