Zastosowanie technologii GPR do wykrywania rurociągów instalacji grzewczych

Uczestnicy 30. Międzynarodowej Konferencji Studentów Geodezji (IGSM) wciąż przeżywają emocje związane z atrakcjami, jakie przygotowali organizatorzy z Uniwersytetu w Zagrzebiu w ostatnim tygodniu czerwca. Istotną częścią każdej edycji tego międzynarodowego wydarzenia jest sesja, związana z prezentacją referatów naukowych przez uczestników. W tym roku na szczególną uwagę zasługuje zwycięska prezentacja o tytule „Zastosowanie technologii GPR do wykrywania rurociągów instalacji grzewczych” autorstwa Igora Ruskovskiego, studenta Wydziału Nauk Technicznych Uniwersytetu w Nowym Sadzie.

System grzewczy stanowi zbiór rurociągów oraz przyrządów pomiarowych i regulacyjnych, które łączą użytkownika ze źródłem produkcji ciepła. Produkt jest przesyłany w postaci gorącej wody pod ciśnieniem lub pary wodnej za pomocą dwóch rur zapewniających transport w obydwu kierunkach. System ogrzewania jest bardzo ważną częścią infrastruktury miejskiej. Utworzenie oraz konserwacja sieci są bardzo drogie, dlatego ze względu na koszty pojawia się potrzeba prawidłowego i efektywnego utrzymania rurociągu. Tylko właściwie zaprojektowany i utrzymywany rurociąg może zapewnić długotrwały i niezawodny system dostarczania ciepła. Ze względu ograniczenie kosztów transportu medium, bardzo istotną kwestią jest zapobieganie utraty energii i ciepła. Z tego powodu rurociągi są wykonane z odpowiednio izolowanego materiału, lub posiadają osłonę w postaci betonowego korytarza o określonych wymiarach, co ogrywa bardzo istotną rolę w przypadku wykrywania rurociągów pod ziemią.

Georadar (ang. Ground Penetrating Radar, GPR) jest to urządzenie przeznaczone do wykrywania podziemnych obiektów oraz precyzyjnego obliczania ich położenia oraz kształtów. Jest to dosyć nowa metoda pomiaru, która cały czas się rozwija. Jednym z ważniejszych zastosowań tej technologii jest wykrywanie obiektów podziemnych wykonanych z różnego typu materiałów. GPR składa się z kilku elementów (Rys. 1. ): struktury stanowiącej szkielet pojazdu, anteny wysyłającej i odbierającej sygnał, komputera wraz z pamięcią podręczną i zasilaniem oraz urządzeń pozycjonujących (m.in. GPS i enkoder).

Zasada pomiaru jest stosunkowo prosta. Gdy pojazd porusza się nad potencjalnym rurociągiem, w kierunku ziemi wysyłana jest spolaryzowana fala o wysokiej częstotliwości. Głębokość penetracji gruntu oraz wykrywalność obiektów jest związana bezpośrednio z częstotliwością wysyłania wiązki. Niejednorodność gruntu spowodowana obecnością różnego rodzaju gleb, podziemnych obiektów, skał oraz podobnych ciał sprawia, że część fali zostaje odbita, a część przechodzi dalej w głąb ziemi. Odbicie fali jest związane z różnicami w elektrycznych i magnetycznych właściwościach danego materiału. Jednym z najważniejszych cech danego ciała jest stała dielektryczna, która wskazuje jak ciężko jest przejść fali elektromagnetycznej przez dany obiekt w stosunku do ich wzajemnego oddziaływania.

Rys. 2. Zasada działania technologii GPR (źródło: Igor Ruskovski)

Ze względu na ciągłą pracę urządzenia, antena wysyła i odbiera sygnały permanentnie. Użycie komputera narzuca konieczność przekształcenia analogowych sygnałów w cyfrowe, dyskretne dane. W wyniku tego dostajemy sygnał reprezentowany przez pewną liczbę punktów, a w przypadku technologii GPR operujemy na rozdzielczości 9 bitów, co przekłada się na możliwość przedstawienia otrzymanych danych za pomocą 512 różnych wartości. Kiedy analizujemy wszystkie otrzymane sygnały jeden po drugim, wynikiem jest graficzna reprezentacja skanowanego obszaru zwana radarogramem (ang. radargram). Fale wysyłane przez urządzenie są rozpraszane w postaci stożka, co powoduje kolejne zjawiska. Gdy kierunek skanowania jest prostopadły do powierzchni ziemi, cylindryczne kształty rurociągów są widoczne na radarogramach w postaci hiperbolicznych profili. Jest to związane z poruszaniem się pojazdu i różnymi fazami rozpoznania obiektu pod ziemią.

Rys. 3. Rozpoznanie rurociągów na radarogramie (źródło: Igor Ruskovski)

Celem zastosowania technologii przy wykrywaniu rurociągów jest minimalizacja czasu i kosztów pracy. Chociaż GPR może być sam w sobie optymalnym rozwiązaniem, w przypadku integracji z innym mobilnym i stosunkowo tanim systemem, wyniki mogą być jeszcze bardziej wydajne. Poprzez wykorzystanie zdjęć termalnych do detekcji systemów ogrzewania, możemy otrzymać system, dzięki któremu w prosty sposób możemy identyfikować charakterystykę rurociągów, zapobiegać i rejestrować szkody, a finalnie automatyzować procesy gromadzenia i przetwarzania danych. Przykładowym rozwiązaniem może być zamontowanie kamery termicznej na bezzałogowym statku powietrznym (UAV) i wykonanie nalotu nad konkretnym obszarem. Na zdjęciach termalnych wykonanych podczas nalotu, rurociągi będą charakteryzowały się intensywnie jasnym kolorem, co jest spowodowane różnicą temperatur między instalacją grzewczą, a otoczeniem. Obrazy te mogą pomóc w określeniu lokalizacji rurociągów, które w późniejszym etapie mogą być skanowane za pomocą technologii GPR w celu uzyskania bardziej szczegółowego oraz bieżącego stanu instalacji. Obrazy termiczne pozwalają także na szybkie porównanie ich z danymi katastralnymi, co daje możliwość zaobserwowania różnic (np. braków w instalacji) między stanem aktualnym, a dokumentacją. Szczegółowa analiza obrazów termalnych dostarcza lokalizację miejsc, które wymagają inwentaryzacji przy użyciu GPR. Wykorzystując pozyskane radarogramy, możemy uzyskać informacje o głębokości, wielkości i położeniu rurociągu.

Rys. 4. Rozpoznanie instalacji grzewczych na zdjęciu termalnym (źródło: Igor Ruskovski)

Tak zintegrowany system posiada liczne zalety, m.in. szybkie gromadzenie danych, łatwa możliwość porównania wyników do danych katastralnych oraz możliwość automatycznego generowania produktów. W porównaniu z innymi metodami wykrywania obiektów podziemnych, technologia GPR posiada duży potencjał. W prosty sposób można zintegrować dane z pomiarami GNSS, a następnie eksportować dane do dobrze znanych formatów GIS i tworzyć modele 3D. Dlatego, ze względu na liczne możliwości GPR, technologia powinna być w dalszym stopniu rozwijana i praktykowana.

Michał Rabiński, Stowarzyszenie Studentów WGiK PW „GEOIDA”