Proposta de algoritmo para automação na determinação da lnha do eixo vertical de estruturas por nuvens de pontos

Abstract

Resumo: Atualmente as nuvens de pontos vêm sendo exploradas por diversos campos das engenharias, considerando que das quais pode-se extrair informações quantitativas e qualitativas de espaços e objetos de estudos. Neste quesito, o Laser Scanner Terrestre (LST) possibilita a obtenção das nuvens de pontos com taxas de aquisição que podem chegar à um milhão de pontos por segundo. Considerando a superabundância e, consequentemente, a alta redundância de pontos sobre as superfícies de interesse, é possível o desenvolvimento de metodologias para tratamento e extração de informação das nuvens. No âmbito do monitoramento geodésico, a utilização de varreduras por LST podem ser utilizadas para a determinação da variação posicional de pontos ou estruturas. Neste sentido, o presente trabalho visou a elaboração de uma metodologia inovadora para verificação da verticalidade de estruturas a partir do eixo da construção. Inicialmente, propôs-se uma avaliação laboratorial quanto a precisão dos dados obtidos por meio de alvos. Em seguida, tendo como objeto de estudo um reservatório de água vertical e cilíndrico, foi desenvolvido um algoritmo iterativo para segmentação das nuvens de pontos levantadas a partir do LST BLK360 e a Estação Total Robótica (ETR) TS15, ambos da Leica Geosystems. A parametrização dos dados, com base na figura geométrica de uma circunferência, foi aplicada a cada segmento extraído. Para viabilizar a análise, desenvolveu-se um algoritmo para que o alinhamento de maior inclinação da estrutura fosse direcionado ao eixo Y do sistema de referência local dos dados, no qual a matriz de rotação aplicada foi calculada a partir a Decomposição por Valores Singulares (Singular Value Decomposition - SVD). Com base nas coordenadas dos centros derivados da parametrização, foram calculados os ângulos de inclinação da estrutura e o deslocamento horizontal no topo do reservatório em relação a base. A metodologia desenvolvida foi aplica á uma estrutura vertical de uma caixa d'água de forma cilíndrica com 25 metros de altura. A análise da verticalidade a partir dos dados da varredura pelo LST forneceu uma inclinação e deslocamento horizontal do eixo no topo da estrutura de 9,35' e 6,15 cm, respectivamente. Paralelamente, com a varredura pela ETR calculou-se uma inclinação de 6,94' e deslocamento horizontal de 4,56 cm. Sendo assim, constatou-se que a partir das nuvens de pontos e com base na metodologia proposta, foi possível verificar a inclinação do reservatório. Complementarmente, o LST possibilitou maior detalhamento da inclinação ao longo de toda a estrutura.

Abstract: Nowadays, point clouds have been explored by several engineering fields, considering the possibility of extracting quantitative and qualitative information from spaces and objects of study. In this point, the Terrestrial Laser Scanner (LST) enables to obtain of point clouds with acquisition rates of around one million points per second. Considering the fact of superabundance and the high redundancy of points onto surfaces of interest, it is possible to develop methodologies for processing and information extraction from clouds. Within the geodetic monitoring, LST scans allow for surveying the positional variation of points or structures. In this sense, the present work aimed to elaborate an innovative methodology to verify the structural verticality by the construction's axis. Initially, the data accuracy was evaluated through a laboratory approach using targets. Then, having as an object of study a vertical and cylindrical water reservoir, an iterative algorithm was developed to segment the point clouds raised from the LST BLK360 and the Robotic Total Station (RTS) TS15, both from Leica Geosystems. Based on a circle geometry, data parametrization was applied to each extracted segment. To enable the analysis, an algorithm was developed to align the highest structure inclination to the Y axis of the local reference system. The rotation matrix applied was calculated from the Singular Value Decomposition (SVD). Considering the circle center coordinates by parameterization, it was calculated the structure inclination angles and the horizontal displacement at the top of the reservoir to the base. The methodology developed was applied to a vertical structure of a cylindrical water tank 25 meters high. The verticality analysis from the LST scan data provided an inclination angle and horizontal displacement at the top of the structure of 9.35' and 6.15 cm, respectively. At the same time, the RTS scans show an inclination of 6.94' and a horizontal displacement of 4.56 cm. Therefore, it was found that from the point clouds and based on the proposed methodology, it was possible to verify the reservoir inclination. In addition, the LST enabled greater detailing of the slope along the entire structure.