Měřické využití laserů v interiérech

Krátce po vzniku laseru (Light Application by Stimulated Emision of Radiation, princip Ch.H. Townes, A.L. Schawlow 1958, plynový He-Ne laser T. H. Maiman 1960, polovodičový laser N.G. Basov, A.M. Prochorov 1962) se různé konstrukční typy prosadily v technice, umění, lékařství a v jiných disciplínách. Stranou samozřejmě nezůstalo ani stavebnictví a geodézie. V měřicko-stavební praxi jsou dobře známy a často používány nízkovýkonové plynové, dnes už častěji polovodičové lasery pracující ve viditelné (červené, zelené) nebo i neviditelné (infračervené) části spektra, v případě automatického zachycení stopy s modulovaným zářením. Patří k nim tzv. jednomužné laserové nivelátory, vytvářející vodorovnou nebo svislou rovinu, příp. rovinu daného sklonu při montáži skeletů, skladových zakladačů, při kontrole rovinnosti betonových ploch, instalaci podhledů, obkladů apod. Velmi časté jsou i typy emitující svazek záření v orientované přímce, např. soupravy pro řízení stavebních strojů a lodí, či tzv. potrubní laser (Pipe-Laser) pro pokládku potrubí. Lasery slouží též k řízení prorážky podzemních děl prováděných hornickým způsobem. V praxi doznaly značného rozšíření a obliby laserové dálkoměry krátkého dosahu, obsluhované z volné ruky, případně i adaptované pro spojení s geodetickými optickými přístroji - např. [1]. Odborná veřejnost je o těchto běžných stavebních aplikacích dobře informována, v dalším textu si proto povšimneme použití laserů v geodetických případech.

Laserové měřické metody v interiérech
Významnou a poměrně náročnou skupinou prací inženýrské geodézie jsou měření pro pořízení nebo doplnění dokumentace památkových stavebních objektů pro účely studijní, evidenční nebo projekční. Je samozřejmé, že k dispozici je řada ověřených ryze geodetických metod, které určují jen vybrané diskrétní body objektu, nebo metod fotogrammetrických, poskytujících na měřickém snímku obrovské množství kdykoli vyhodnotitelných informací. Přesto zejména v první uvedené skupině je použití laseru přínosem zejména v případě měření větších výrazně třírozměrných objektů (chrámů, sálů, podzemních prostor). Obecně lze říci, že se v nejjednodušším případě lasery používají k jednoduché bezkontaktní signalizaci (nepřístupných nebo obtížně přístupných) charakteristických bodů konstrukce viditelnou stopou. Měřickou metodou jsou potom technologie prostorových (3D) protínání vpřed nebo polární [2].
Protínání vpřed definuje polohu určovaného bodu vodorovnými úhly, měřenými teodolity ze dvou vhodně volených koncových bodů (stanovisek, např. na bočních ochozech, balkonech), definujících základnu. Délka se musí určit, vodorovné směry (z nich vypočtené úhly) se orientují na protější stanovisko. Tvar takto vzniklého trojúhelníku protínání ovlivňuje polohovou přesnost měřeného bodu. Optimální velikost úhlu protnutí záměr u určovaného bodu je asi 120o, což znamená, že jeden z měřených úhlů u základny příliš nepřekračuje pravý úhel a bod není od základny příčně vzdálen více než 1,5 až 2 násobek její délky a méně než asi 0,4 násobek. (Pokud by bod ležel v základně, je úloha neřešitelná.) Výška určovaného bodu nad řídicím (obvykle levým) bodem základny se vypočte dvakrát s kontrolou z měřeného zenitového (svislého) úhlu téhož bodu a z vodorovné délky záměry, vypočtené sinovou větou z trojúhelníku protínání. Úloha se řeší v místních pravoúhlých pravotočivých souřadnicích, obvykle s osou +X ležící v základně a s počátkem v levém stanovisku teodolitu, které lze matematicky transformovat do libovolné jiné soustavy. Je-li objekt příliš rozlehlý nebo členitý, je obvykle nutno volit více základen. Měřené body se zapojují do jednotného souřadnicového systému buď geodetickým propojením základen nebo transformací pomocí identických bodů, měřených z jednotlivých nepropojených základen.
Určitou analogií je polární metoda, kde stačí měření pouze jednou totální stanicí (kombinace teodolitu a dálkoměru), základna se používá jen pro orientaci měřeného vodorovného úhlu. Šikmé délky jsou přímo měřeny. Polohová přesnost zaměřeného bodu je prakticky nezávislá na velikosti měřeného úhlu, délka záměry má být kratší než délka orientace. Při hodnocení je třeba uvážit rozdílná výšková měřítka obou grafů, tj. metry, resp. milimetry (1·10^-3 m). Velmi obecně lze říci, že do vzdálenosti asi 40 - 60 m je přesnější metoda 3D protínání, přes tuto hranici prostorová polární metoda.

Přístrojové vybavení
Při 3D protínání přichází pro nasazení laseru v úvahu dva způsoby. Při prvním je svazek laserového záření sveden (laserovým okulárem, optickým můstkem, přímým vestavěním) do záměrné osy dalekohledu jednoho z teodolitů na koncovém bodě základny protínání. Na stopu pak cílí též teodolit ze druhého stanoviska. Výhodou tohoto řešení je jednoznačný, dobře kontrolovatelný výběr bodu. K nevýhodám patří zejména možná deformace jasu a tvaru stopy na povrchu měřeného objektu při šikmém nasvícení, která se může v dalekohledu obou teodolitů lišit (neidentita bodu) a dále to, že poloha bodu není obnovitelná. Nelze tedy pro zvýšení přesnosti na bod cílit opakovaně, např. postupem měření směrů ve dvou polohách dalekohledu. Tuto nevýhodu odstraňuje umístění samostatného laseru, konstrukčně umožňujícího přesné cílení pomocí ustanovek a případně i dalekohledu, na vhodném místě, obvykle poblíž středu základny. Práce je však pomalejší nebo personálně náročnější. Tímto způsobem byly pořízeny např. podklady pro nedávnou ukončenou rekonstrukci nadzemních konstrukcí synagogy v Plzni, která je druhou největší v Evropě. Běžně dosažitelná přesnost se pohybuje v rozmezí milimetrů až jejich desítek podle vybavení a konfigurace obrazce měření.
Při 3D polární metodě se používá kombinace teodolitu a laserového dálkoměru krátkého dosahu (cca 120 m) s pasivním odrazem (nevyžaduje umístění odrazného hranolu nebo reflexní fólie v cíli). Nejjednodušší je spojení klasického optického teodolitu střední přesnosti (asi 0,2 mgon, např. starší Zeiss Theo 020B) s laserovým dálkoměrem rozšířeného typu Leica DISTO s udávanou přesností 1 mm. (Poznámka: 1 gon = dříve 1^g = 1000 mgon ( 1,10.) Tato konstrukce, vyrobená v dílnách katedry [1], je používána např. i v úlohách profilového předmětu Stavební a průmyslová geodézie v závěru studia geodézie na Stavební fakultě ČVUT v Praze. Obr. 5 je ukázkou jedné ze studentských prací, graficky pomocí počítače vyhodnocujících ve velkém měřítku měřená ručně zapisovaná data. Měřeným objektem je předsálí modlitebny v sídle Husitské bohoslovecké fakulty v Praze.
Naprostou samozřejmostí jsou v praxi elektronické totální stanice (též: elektronické tachymetry), v nichž je konstrukčně spojena úhloměrná a dálkoměrná část a registrace dat. Tyto přístroje mohou mít manuální nebo motorizovanou obsluhu včetně dálkového ovládání a jsou schopny řešit vestavěnými programy četné měřické úlohy (zavádění matematických a fyzikálních oprav měření, přechodné stanovisko, protínání, vytyčovací prvky matematických křivek). V poslední době jsou na trh předními světovými výrobci uváděny speciální totální stanice. Zajímavostí jejich konstrukce je současné použití dvou dálkoměrů. Elektrooptický světelný dálkoměr s odraznými hranoly v cíli má dosah 2 km při přesnosti 2 mm + 2 ppm. Laserový dálkoměr s pasivním odrazem a s viditelnou červenou stopou laserového záření v cíli (pointerem) průměru asi 15 mm má dosah při běžném osvětlení 0,2 – 60 m s přesností 3 mm + 2 ppm. Patří mezi ně např. typy Leica TCR případně motorizované typy TCRA řady 300, 700 nebo 1100, Nikon NPL-820 (obr. 6), Sokkia MK 1000 nebo Topcon série GTP 1000. Přesnost měření úhlů je zpravidla 0,5 - 2,0 mgon podle konstrukční (a cenové) varianty, zvětšení 30×, napájení z vestavěného akumulátoru, hmotnost 6 - 7 kg. Samozřejmostí je interaktivní ovládání z displeje a automatický elektronický sběr a uložení dat, umožňující počítačové on line zpracování včetně využití grafických programových procedur. Na jejich bázi jsou budovány tzv. High Tech systémy se speciálním jednoúčelovým software. Zpravidla je jeho obsahem orientace a stanovení polohy přístroje pomocí připravených souřadnicově určených orientačních bodů, měření jednotlivých bodů a bodů prostorových čar (hran) na objektu (včetně možnosti určení zakrytých bodů pomocí speciálního přípravku), automatické měření profilů a ploch vytvořením pravidelné sítě měřených bodů, testování, filtrování a zpracování dat, spojování souborů z různých stanovišť, prostorová nebo rovinná grafická zobrazení (geometrického tvaru, izohyps deformací povrchu, míst předpokládaných trhlin, lomů atd.) a přesun dat do jiných programů.
Na stejném principu prostorové polární metody pracují tzv. profiléry, používané při řízení a kontrole výstavby tunelových a jim podobných děl [3]. Tyto přístroje z jednoho postavení zaměří ve vybraném kroku body několika paralelních příčných řezů, zpravidla bez počvy (dna tunelu). Měřený objekt je potom opět po definování rozsahu a po orientaci na 2 až 4 orientační body pokryt pravidelnou sítí bodů, kterou lze doplnit zaměřením charakteristických bodů (lomů, ukončení technologických zařízení, změny geologických podmínek apod.). Profiler 4000, konstruovaný ve spolupráci firem Leica a Amberg Measuring Technique, má infračervený měřický laser a viditelný laserový pointer pro kontrolu zacílení, dalekohled není montován. Doba měření 500 bodů v paralelních řezech z jednoho stanoviska je zhruba 45 minut, přesnost měření úhlů asi 7 mgon, délek při přesném módu 3 až 5 mm + 1 ppm. Vyhodnocení provádí on line připojený PC se speciálním programem PROWIN 6.0. Obě možnosti, tj. použití profiléru a přesné totální stanice, jsou v současnosti využívány např. při ražbě pražského silničního tunelu Mrázovka. Je zřejmé, že přesnost, rychlost a v některých případech možnost nasazení jsou ovlivněny povrchem materiálu objektu.
Zcela nové použití laserového skeneru při měření interiérů je vyvíjeno předními pracovišti v zahraničí, např. [4]. Základem je použití nejmodernější techniky, představované v uváděném případě rakouským výrobkem Riegl LMS-Z210. Infračervený laserový dálkoměr je schopen pulsně uskutečnit až 30 000 měření za sekundu, rotující prostorová hlavice obsáhne prostor ve výseči (±44 gon ve svislém směru a 370 gon vhorizontální rovině. Tento prostor je automaticky pokryt sítí 444×1850 měřených bodů při předvoleném standardním kroku posunu 0,2 gon. Operace trvá asi 120 sekund (tj. s frekvencí asi 20 měření za sekundu) při objemu transportovaných dat 6,4 MB. Dosah je až 350 m při koeficientu pohltivosti materiálu cíle ( 20 %, přesnost úhlů 0,02 až 0,04 gon, délek 0,02 m. Podle potřeby je samozřejmostí spojování dat různých stanovisek. Přesnost, dosažená při jednom z prvních ověření v mobiliářem vybaveném sále Kleine Galerie ve vídeňském Schönbrunnu, je asi 0,03 m.
Text byl napsán v rámci výzkumného záměru ČVUT Fsv č. J04-098:210000022.   Literatura:

• [1] Kašpar,M. - Květ,P.: Laserové systémy pro měření vzdáleností v interiéru. Stavebnictví a interiér 8, 2000, č. 9, str. 14-15
• [2] Hánek,P.: Geodetická měření ve strojírenství. Geodetický a kartografický obzor 35 (77), 1989, č. 10, str. 239-242
• [3] Marešová,J.: Profiler 4000 - Využití v tunelu Mrázovka. Stavební + zemní stroje 3, 2000, č.1, str. 20-21
• [4] Pfeifer,N. – Kraus,K. – Schwarz,R. – Ullrich,A.: Nachbereichs-Laser-Scanner für die Innenraum-Aufnahme. In: Schnädelbach,K. – Schilcher,M.: Ingenieurvermessung 2000. XIII. International Course on Engineering Surveying. Beitrage/Contributions. Stuttgart, Verlag Witwer 2000, str. 114-121