Precyzyjne naziemne skanowanie laserowe do oceny płaskości podłogi: Studium walidacyjne

For the English version click here.

Autorzy: Bodóczi A., Pintye B., Kciuk M. (2025). Precyzyjne skanowanie laserowe dla płaskości podłogi: Metodologia i zastosowania w pomiarach, rejestracji i analizie.

Streszczenie

Rys. 1 Badany obszar posadzki betonowej

Niniejsze badanie dotyczy zastosowania naziemnego skanowania laserowego (TLS - Terrestrial Laser Scanning) do precyzyjnej oceny płaskości posadzki betonowej w inżynierii pomiarowej. Celem było zweryfikowanie dokładności pionowej skanera laserowego względem danych referencyjnych z precyzyjnego pomiaru, wykorzystując standardy branżowe do obliczenia współczynnika niepewności testowej (TUR - Test Uncertainty Ratio). Powierzchnia posadzki we wnętrzu magazynu została zmierzona poprzez wytyczenie siatki za pomocą tachimetru i pomiaru wysokości na każdym przecięciu siatki za pomocą najnowocześniejszej poziomicy cyfrowej (Leica ls15). Ten sam obszar został później zeskanowany. Porównano następnie uzyskane wysokości z TLS, a wyniki wykazały, że ponad 98% wartości mieściło się w granicach ±0,5 mm od danych referencyjnych, przy odchyleniu standardowym 0,2 mm. TLS skróciło również całkowity czas pomiaru i obróbki o dwie trzecie. Wyniki te potwierdzają wysoką dokładność pionową i efektywność TLS, wspierając jego wdrożenie do rutynowych kontroli jakości podłóg oraz podobnych zastosowań wymagających precyzji.

1. Wprowadzenie

Kontrola płaskości odgrywa kluczową rolę w funkcjonowaniu i wytrzymałości przemysłowych posadzek betonowych. Regularność powierzchni (SR - Surface Regularity), czyli odchylenie wysokości na krótkich dystansach lokalnych [2], musi być oceniana precyzyjnie, aby spełnić normy budowlane, szczególnie w obiektach wysokiej wydajności, jak magazyny zrobotyzowane. Tradycyjna metoda z użyciem poziomicy — mimo prostoty i niskich kosztów — stała się przestarzała w XXI wieku z powodu niskiej precyzji w pozycjonowaniu, ograniczonej powtarzalności i pracochłonności przy dużych powierzchniach [2]. Badania podkreślają jej niedokładność i subiektywność operatora, przez co rzadko wiernie reprezentuje całą podłogę

Aby przezwyciężyć te ograniczenia, w latach 70. opracowano system “F-Number”. Polega on na wytyczeniu siatki na badanym obszarze, a następnie pomiarze wysokości w regularnych odstępach na siatce. Wyniki pozwalają na obliczenie wartości płaskości i poziomu profilu badanego obszaru posadzki. Jednak metoda ta nadal polega na punktowych, kontaktowych narzędziach takich jak poziomnice optyczne czy profilery rolkowe, co wymaga znacznego czasu i oferuje ograniczone dane przestrzenne [2][4]. Ręczne pomiary mogą trwać od 2 do 12 godzin, w zależności od rozmiaru badanej osadzki, a rozmieszczenie profili i wtórne ustalane ich jest arbitralnie.

W przeciwieństwie do tego, TLS umożliwia szerokie, bezkontaktowe pomiary powierzchni o wysokiej rozdzielczości. Pozwala na gęste pomiary całych powierzchni [1], zbierając miliony punktów 3D na sekundę.

Poprzednie badania wykazały dokładność rzędu 0,5 mm przy zastosowaniu TLS do oceny geometrii powierzchni [1][3]  oraz znaczne zalety czasowe i kompletności względem metod ręcznych [4]. Mimo rosnącej popularności w budownictwie, rygorystyczna walidacja TLS względem konwencjonalnego poziomowania dla płaskości podłóg była dotąd ograniczona

Omawiane badanie wypełnia tę lukę. Przedstawiając wyniki pomiaru laserowego w odniesieniu do precyzyjnie poziomowanej siatki na kontrolowanej powierzchni. Oceniono w ten sposób statystyczną dokładność, niepewność oraz efektywność czasową, by oszacować poprawę procesu

2. Metodologia

Powierzchnię testową stanowiła betonowa płyta o wymiarach 9,9 × 9,9 m, zlokalizowana w magazynie robotycznym. Wybrano ją, by symulować standardowy układ skanowania wykorzystywany w dużych projektach, gdzie stosuje się wzór siatki. Na płycie oznaczono punkty siatki o rozstawie 300 mm za pomocą tachimetru Leica TS16 (rys. 1, 2). Wysokości w 1156 miejscach przecięcia siatki zmierzono cyfrową poziomnicą Leica LS15 oraz kodową łatą inwarową.

Rys. 2 Badana siatka pomiarowa oraz pozycje skanera laserowego P40

Aby potwierdzić wiarygodność siatki kontrolnej, wykonano kontrolę poziomowania przez powtórzenie czterech równomiernych przebiegów na tej samej siatce. Przeanalizowano 136 par odczytów, uzyskując odchylenie standardowe 0,07 mm między pierwotnymi a kontrolnymi wartościami - potwierdzając wysoką spójność danych poziomowania.

Następnie przeprowadzono dwa niezależne pomiary TLS za pomocą skanera laserowego Leica P40. Każda seria skanowania obejmowała cztery pozycje ustawione w pobliżu rogów siatki, na wysokości ok. 2 m i w odległości maksymalnie 10 m od siebie. Skanowano z rozdzielczością 6 mm × 6 mm z dystansu 10 m. W obu seriach rejestrowano czarno-białe tarcze dla wsparcia odniesienia współrzędnych, choć główną metodą wyrównania była rejestracja chmury punktów, skutecznie zachowująca względną dokładność przy dużych obszarach.

3. Wyniki i analiza

3.1 Porównanie z pomiarem bazowym

Do porównania danych bazowych z wysokościami uzyskanymi ze skanowania laserowego użyto funkcji Ground Control w programie FLAT4 [5], służącej do analizy geometrii powierzchni przez Even Horizon Ltd. Funkcja ta, opracowana do weryfikacji dokładności pionowej chmur punktów przed obliczeniami SR, była idealna do zadania.

 Wyniki porównania dla obu serii skanowania podsumowano poniżej:

Rys. 3 Wykres analizy prawdopodobieństwa ze względu na zakres błędu

Dodatkowa analiza porównania skan-skan wykazała średnią różnicę 0,2 mm przy odchyleniu standardowym 0,148 mm, potwierdzając powtarzalność. Wyniki te są zgodne z wcześniejszymi badaniami, które wykazały, że TLS zapewnia dane o wystarczającej dokładności do prowadzenia standardowej kontroli regularności powierzchni i wypada korzystnie na tle tradycyjnych metod ręcznych [1].

3.2 Ocena dokładności i niepewności

Wiarygodność pomiaru oceniono metodą współczynnika niepewności testowej (TUR- Test Uncertainty Ratio), zgodnie z ANSI/NCSL Z540.3-2006. Przy założeniu tolerancji płaskości podłogi 3,0 mm - typowej dla DIN 18202 (Tabela 3 Linia 4) oraz ASTM F50 - uzyskano następujące wartości TUR:

Skan 1 TUR: 3,0 mm / (2 × 0,186 mm) = 8,1 : 1

Skan 2 TUR: 3,0 mm / (2 × 0,195 mm) = 7,7 : 1

Oba wyniki przekraczają próg 4:1 wymagany dla wiarygodnych pomiarów, a minimalne tolerancje potrzebne do spełnienia tego progu - 1,49 mm and 1,56 mm - są niższe od limitów najbardziej rygorystycznych norm podłogowych, jak TR34 FM1 (1,8 mm) i ASTM F100 (1,59 mm).

4. Ocena efektywności

Poza precyzją TLS oferuje znaczące korzyści czasowe i oszczędność pracy. Analiza czasu porównała godziny potrzebne na pomiar poziomowania i skanowania laserowego, od zbierania danych po końcową obróbkę danych (rys. 4).

Rys. 4 porównanie czasu pracy w 2 metodach

Metoda Skanowania laserowego wymagała mniej niż 1/3 czasu tradycyjnego pomiaru, a prace terenowe były nawet 29 razy szybsze. Efektywność ta jest zgodna z wcześniejszymi ustaleniami, że TLS pozwala na szybkie i kompletne pomiary odchyłek, zapewniając bardziej wiarygodną kontrolę płaskości [1][4]. Szybkie pobieranie gęstych danych i automatyczna analiza zmniejszają ekspozycję terenową i subiektywność, co czyni TLS szczególnie odpowiednim do dużych lub pilnych projektów posadzkowych

5. Wnioski

Badanie potwierdza, że TLS jest skuteczną alternatywą dla tradycyjnych metod weryfikacji płaskości podłóg. W dwóch niezależnych seriach, skaner Leica P40 wykazał submilimetrową dokładność, z ponad 98% odchyłek w granicach ±0,5 mm od danych kontrolnych i SD poniżej 0,2 mm. Współczynniki TUR przekroczyły 7,7:1, potwierdzając zgodność z wiodącymi normami płaskości.

Znaczne oszczędności czasowe — nawet 20-krotne przy pracach terenowych — dodatkowo potwierdzają TLS jako atrakcyjne rozwiązanie do pomiarów posadzek. Stosując jednolity, kontrolowany workflow, TLS zapewnia powtarzalną, zgodną z normami i efektywną metodologię dla wysokowydajnych prac posadzkowych i weryfikacyjnych.

6. Podziękowania

Badania były możliwe dzięki współpracy GEO-PRECISE Ltd, Mat-Map Survey Ltd. (inżynieria lądowa), Fibre System Sp. z o.o. (budowa podłóg przemysłowych) oraz Even Horizon Ltd. (inżynieria technologiczna), którzy wnieśli swoją wiedzę techniczną, sprzęt, oprogramowanie i udostępnili obiekty testowe. Szczególne podziękowania dla Leica Geosystems Hungary Kft oraz Dr Zoltána Koppányiego za konstruktywne uwagi, które znacząco przyczyniły się do jasności i jakości pracy.

7. Bibliografia

[1] – Bosché, F & Guenet, E 2014, ‘Automating surface flatness control using terrestrial laser scanning and building information models’, Automation in Construction, vol. 44, pp. 212-226.

[2] – Bosché, F & Biotteau, B 2015, ‘Terrestrial laser scanning and continuous wavelet transform for controlling surface flatness in construction - a first investigation’, Advanced Engineering I formatics, vol. 29, no. 3, pp. 591-601.

[3]  –  Tan, Y.; Liu, X.; Jin, S.; Wang, Q.; Wang, D.; Xie, X. A Terrestrial Laser Scanning-Based Method for Indoor Geometric Quality Measurement. Remote Sens. 2024, 16, 59.

[4]  – Xu, C., Xiong, W., Tang, P., & Cai, C. S. (2024). Automated flatness assessment for large quantities of full-scale precast beams using laser scanning. Computer-Aided Civil and Infra-structure Engineering, 39, 1868–1885. https://doi.org/10.1111/mice.13162

[5] Flat4 - https://flat4.evenhorizon.co.uk/