ANTHI Việt Nam

4.3. Tổng hợp mô hình bề mặt (Mesh Model) và các phương pháp trích xuất mặt cắt

Thực tiễn có hai phương pháp trích xuất mặt cắt từ số liệu quét laser 3D được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng xây dựng hầm. Phương pháp thứ nhất sử dụng một phần tổng khối lượng số liệu trên toàn bộ đám mây điểm do máy quét thu thập được để tạo ra lớp điểm có mật độ thưa hơn, số lượng điểmphân bố đều trên một đơn vị diện tích đủ để tạo ra các mặt cắt theo yêu cầu kỹ thuật. Trong phương pháp này, các mặt cắt được tạo ra bởi các đường mô hình hóa từ chính số liệu đám mây điểm nằm trên bề mặt thân hầm, trên bề mặt ấn định để hiển thị các mặt cắt kết quả sau khi tạo ra. Theo đó các mặt cắt thành quả có thể được xuất sang các khuôn dạng số liệu trao đổi phổ dụng như ASCII hoặc CAD. Một trong những yếu điểm của phương pháp trích xuất mặt cắt thứ nhất này liên quan đến quá trình xử lý bắt buộc phải thực hiện trên các phần mềm CAD để có thể tạo ra được đường trung bình thể hiện đúng mặt cắt hầm từ một số lượng điểm nhất định đã được lựa chọn. Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng nhược điểm này sẽ không phải là vấn đề nghiêm trọng nếu chúng ta sử dụng các phần mềm đặc biệt có khả năng tự động tổng hợp các đường thể hiện mặt cắt.

Phương pháp tổng hợp mặt cắt thứ hai được sử dụng trong xử lý số liệu TLS có quy trình phức tạp hơn, trước hết phần mềm sẽ tổng hợp mô hình 3D bề mặt tạo bởi một lưới các tam giác bề mặt (Mesh) thể hiện toàn bộ bề mặt ống hầm (gồm cả vách và đáy hầm). Quá trình tạo lưới tam giác bề mặt gần giống như quá trình tổng hợp  bề mặt gồm các đa giác hoặc đa diện dưới dạng lưới 3D thể hiện một cách chính xác nhất mô hình hình học hầm. Thực tiễn có nhiều thuật toán khác nhau để phục vụ cho mục đích tổng hợp này như thuật toán bề mặt đa giác và tam giác đạc Delaunay. Tùy thuộc vào những nhu cầu cụ thể của ứng dụng mà cân nhắc hai thuật toán xử lý nêu trên. Trước tiên chúng ta cần quan tâm tới việc tổng hợp các bề mặt chuẩn tức là các bề mặt mà chúng ta có khả năng thể hiện theo các mô hình toán học bề mặt chuẩn. Tiếp theo là các mô hình bề mặt đặc thù (phân dị) mà không thể mô tả được bằng các mô hình toán học bề mặt chuẩn. Thực tiễn cho thấy, đo đạc phục vụ trong các ứng dụng của quá trình xây dựng hầm thường không mấy khi sử dụng được các mô hình bề mặt tiêu chuẩn bởi bề mặt hầm sau khi đào có sự phân dị rất bất thường và phức tạp, không thể đưa ra được một bề mặt trung bình dựa trên mô hình toán học bề mặt tiêu chuẩn.

Chúng ta cũng cần lưu ý rằng, những thuật toán thường được sử dụng trong các phần mềm ứng dụng để tổng hợp mô hình số địa hình DTM trong thiết kế đường, đo đạc địa hình và GIS không thể sử dụng được để tạo các mô hình bề mặt 3D hoàn chỉnh cho các khu vực có bề mặt địa hình phân dị rất phức tạp trong một khu vực diện tích nhỏ. Mặc dù tới thời điểm hiện tại đã có những phần mềm thương mại được thiết kế chuyên nghiệp cho việc xây dựng các mô hình bề mặt bất thường (như bề mặt hầm) từ số liệu quét TLS, tuy nhiên trong thực tiễn kỹ năng và những hiểu biết của kỹ thuật viên trực tiếp tham gia vào quá trình xử lý và xây dựng mô hình vô cùng quan trọng. Nếu không kiểm soát một cách chặt chẽ toàn bộ quy trình xử lý và xây dựng mô hình sẽ rất dễ làm ra những mô hình sai về mặt bản chất như trong ví dụ dưới đây là hai mô hình bề mặt được tạo ra đúng và gặp lỗi trong quá trình tổng hợp (cùng một đoạn hầm và sử dụng cùng một khối số liệu như nhau, chỉ khác nhau về phương pháp tổng hợp).

Ví dụ hai đoạn hầm được tổng hợp bề mặt. Trường hợp thứ nhất bị lỗi khi áp dụng thuật toán 2D tổng hợp bề mặt  (mô hình a) và trường hợp thứ hai đã dựng đúng nguyên dạng bề mặt đoạn hầm khi áp dụng thuật toán xây dựng mô hình bề mặt 3D không đồng nhất (mô hình b). Lỗi lớn nhất trong quá trình sử dụng thuật toán 2D dựng bề mặt thể hiện rõ ở phần nóc hầm nơi các tam giác TIN được nội suy toàn diện để “phủ kín” khu vực nóc hầm thay vì thể hiện một cách trung thực nhất bề mặt nóc hầm như trong mô hình b. Ngoài ra lưới các tam giác TIN (Triangulated Irregular Network) trong quá trình nội suy xây dựng mô hình bề mặt 2D cũng không có khả năng hiểu để tạo ra riêng bề mặt vách hầm mà sẽ đi xuyên qua cả thân hầm bằng các tam giác nhỏ hơn dẫn đến những biến dạng trong quá trình nội suy.

Ví dụ về một khối số liệu quét laser 3D trong xây dựng hầm. Số liệu quét TSL thô chưa lọc điểm (a); Ảnh chụp khu vực hầm tương ứng số liệu quét (b); Hình ảnh cùng đoạn hầm nhưng nhìn từ phía sau ra (c).

Mặt cắt hầm được tổng hợp ngay sau khi kết thúc giai đoạn đào sử dụng hoàn toàn số liệu đám mây điểm thô.

Mô hình bề mặt hầm được xây dựng bằng số liệu quét laser 3D sau từng giai đoạn để tính toán và so sánh. Mô hình hầm ngay sau khi nổ mìn và bóc dỡ thô (a); Mô hình cùng đoạn hầm sau khi đã phun phủ lớp bê tông lót; So sánh mô hình bề mặt giữa hai lần quét (c).

Hình trái thể hiện một đoạn mặt cắt hầm với phần màu xanh là vách hầm thiết kế lý tưởng và phần màu xám thể hiện vách hầm đào trong thực tiễn. Biểu đồ bên phải thể hiện vách hầm sau khi đào thô (màu đỏ) và vách hầm sau khi phun lót lớp bê tông (màu xanh).

Số liệu đám mây điểm thô ngay sau khi quét một đoạn hầm (a) và (b); Tổng hợp mặt cắt ngang cho một đoạn hầm (c).

5. Kết luận

Thực tiễn cho thấy, trong lĩnh vực đo đạc phục vụ các dự án thi công xây dựng hầm, kỹ thuật quét laser 3D mặt đất (TLS) chưa phải là giải pháp tối ưu có thể thay thế cho tất cả các công đoạn đo đạc trắc địa công trình hầm, nhưng với lợi thế về khả năng tạo ra  những khối số liệu cực kỳ lớn, thể hiện một cách chi tiết nhất bề mặt hầm theo tất cả các hướng, TLS vẫn là giải pháp rất tốt sử dụng trong nhiều giai đoạn thi công xây dựng hầm, đặc biệt trong giai đoạn thi công đào, phun lót số liệu quét laser có khả năng tạo ra các bản đồ 3D bề mặt có độ chính xác rất cao giúp cho quá trình quản lý minh bạch hơn rất nhiều, đồng thời quá trình thu số liệu giữa mỗi lần nổ mìn cũng diễn ra nhanh, hiệu quả và tin cậy hơn nhiều so với các phương pháp đo truyền thống một số điểm để nội suy. Ngoài ra số liệu quét laser 3D cũng giúp cho các kỹ sư thi công trên công trường nắm bắt được các vấn đề có khả năng phát sinh và đe dọa an toàn trong quá trình thi công xây dựng như địa chất, địa động lực học, cấu trúc địa chất khu vực … Dưới góc nhìn của các nhà thầu xây dựng cũng như của các nhà quản lý dự án, TLS đảm bảo cung cấp những thông tin giá trị phục vụ cho các bước tính toán quan trọng trong quá trình thi công (như mặt cắt, khối lượng, thể tích …) để từ đó xây dựng hoặc điều chỉnh phương án thi công, điều động bố trí nhân lực trên công trường cho thật phù hợp. Tuy nhiên khó khăn lớn nhất chính là kinh phí đầu tư cho triển khai kỹ thuật cao cấp này vẫn còn tương đối lớn, đặc biệt là thời gian cần thiết để có thể đào tạo được đội ngũ kỹ thuật viên cả hiện trường và xử lý số liệu TLS trong phòng đây cũng chính là những rào cản cuối cùng cho việc ứng dụng rộng rãi kỹ thuật quét laser 3D mặt đất trong thực tiễn.

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