Srovnání možností zaměření a vyhodnocení historické fasády Ing. Bronislav Koska, Ing. Tomáš Křemen, Doc. Ing. Jiří Pospíšil, CSc.
Katedra speciální geodézie Fakulta stavební České vysoké učení technické v Praze
1. Úvod V příspěvku jsou srovnány některé možnosti zaměření a vyhodnocení skutečného stavu fasády historické budovy s důrazem na použití technologie laserového skenování. Jedná se o členitou fasádu Arcibiskupského semináře z roku 1928, která se nachází v blízkosti stavební fakulty viz obr. 1.
obr. 1 – Část fasády Arcibiskupského semináře Z hlediska sběru dat bylo hodnoceno měření totální stanicí Topcon GPT 2006, která umožňuje měření v bezhranolovém módu, a laserovým skenovacím systémem Leica HDS 3000. Z pohledu vyhodnocení bylo pro data z totální stanice použito pouze vytvoření drátového modelu. Pro data z laserového skeneru bylo použito přímé měření v naměřeném mračnu bodů, vytvoření modelu z jednoduchých geometrických útvarů a měření v tomto modelu, vytvoření trojúhelníkové sítě a měření v této síti, a vytvoření drátového modelu v CAD systému z trojúhelníkové sítě.
1
Jednotlivé metody byly posouzeny z hlediska časové náročnosti na měření a zpracování, požadavků na softwarové a hardwarové vybavení zpracovatele i uživatele (zákazníka), podle objemu uchovávaných dat a podle přesnosti.
2. Měření v terénu Srovnání prozatím proběhlo pouze na malé části fasády. Konkrétně se jednalo o detailní zaměření jednoho okna viz obr. 2. V obrázku jsou vyznačeny vzdálenosti, na kterých byla ověřena přesnost metody.
obr. 2 – Zaměřené a vyhodnocované okno s vyznačenými kontrolními délkami
2.1. Totální stanice Topcon 2006 V technických parametrech této totální stanice najdeme směrodatnou odchylku ve směru 0.0020 gonů a směrodatnou odchylku délky měřené v bez-hranolovém módu 10 mm. Šířka stopy dálkoměru není uváděna. Měření bylo prováděno pouze z jednoho stanoviska s využitím funkce úhlového odsazení, takže délky nebyly měřeny přímo na vnější hrany, ale s minimálně centimetrovým odsazením. Měření bylo prováděno s registrací naměřených údajů a byl veden měřický náčrt. Byla snaha zachytit všechny viditelné detaily, i když z důvodu neznalosti šířky stopy dálkoměru nebylo jasné, jestli bude možné všechna naměřená data využít.
2.2. Systém HDS 3000 V technických parametrech systému Leica HDS 3000 najdeme směrodatnou odchylku měřeného směru 0.0040 gonů, směrodatnou odchylku délky čtyři milimetry a šířku stopy do padesáti metrů menší nebo rovnu šesti milimetrům. 2
Bylo provedeno měření ze dvou stanovisek tak, aby žádná část zaměřovaného okna nebyla v zákrytu. Z obou stanovisek bylo zvoleno rozlišení pět milimetrů. Z důvodu rychlého sběru dat byla zaměřena celá fasáda. Naměřená mračna obsahovala přibližně šest miliónů bodů a jejich část je zobrazena na obr. 3.
obr. 3 – Naměřené mračno
3. Vyhodnocení Srovnání metod proběhlo jednak na základě vizuální kontroly hotového modelu a jednak srovnáním několika kontrolních délek viz obr. 2.
3.1. Vyhodnocení dat z totální stanice Topcon Vyhodnocení proběhlo v sytému Microstation pospojováním bodů podle měřického náčrtu. Výsledná kresba je zobrazena na obr. 4. I na obrázku v malém rozlišení je vidět nepřesnost výsledků způsobená pravděpodobně hlavně šířkou dálkoměrné stopy a metodou vyhodnocení jejího odrazu firmwarem totální stanice. Číselné porovnání kontrolních délek viz tab. 2. Doba potřebná k vytvoření drátěného modelu je zhruba jedna hodina. Velikost výsledného souboru je přibližně 0.1 MB a k používání dat je nutné vlastnit libovolný 3D CAD systém.
3
obr. 4 – Grafické zobrazení dat z totální stanice
3.2. Vyhodnocení dat ze skeneru 3.2.1. Mračno Prvním krokem zpracování naměřených dat je jejich transformace do jediného souřadnicového systému tzv. registrace. Registrace byla provedena v softwaru Cyclon verze 5.5. V softwaru Cyclone lze registrovaná data prohlížet a je možné provádět měření mezi jednotlivými body. Měření je ale pro uživatele poměrně nepohodlné, protože při velkém přiblížení přestává být zřejmá prostorová poloha jednotlivých bodů a taky není zřejmé, jestli vybraný bod leží v požadované nebo případně ve vzdálenější oblasti. Doba potřebná k vyhodnocení je pouze doba provedení registrace a to je v řádu minut. Vizuální posouzení je možné na obr. 3 a porovnání délek viz tab. 2. Velikost výsledného souboru je přibližně 24 MB (180 MB celá fasáda) a k používání dat je nutné vlastnit některý ze specializovaných programů pro práci s mračnem bodů (většina volně dostupných softwarů umožňuje data pouze prohlížet, ale ne provádět měření).
3.2.2. Modelování Modelování je možné provádět v softwaru Cyclone. Příklad grafického výstupu ze zpracování viz obr. 5. Doba zpracování uvedeného modelu byla přibližně čtyři hodiny a tím je pasovaná na časově nejnáročnější metodu ze všech uváděných.
4
obr. 5 – Grafický výstup z modelování Navíc vyhodnocení ozdobného rámování okolo okna nebylo možné, protože se jednalo o příliš složitý tvar viz obr. 6, přičemž ani jednoduchý válcový tvar není možné v Cyclonu řezat jinak než kolmo na jeho osu.
obr. 6 – Řez ozdobným rámováním Na druhou stranu je výsledný model možné považovat za velmi přesný, protože výsledné roviny jsou výsledkem proložení (vyrovnání) z několika tisíc bodů. Velikost výsledného souboru je přibližně 0.1 MB a k používání dat je nutné vlastnit libovolný 3D CAD systém.
3.2.3. Digitální model povrchu – trojúhelníková síť Další možností zpracování naměřeného mračna je vytvoření trojúhelníkové sítě. Pro tento účel lze použít například software Geomagic. Ten umožňuje kromě tvorby trojúhelníkových sítí taky inteligentní redukce naměřených bodů a snížení jejich šumu. 5
Jako nejlogičtější se zdá následující postup: načtení všech naměřených bodů, ruční vymazání bodů mimo zájmovou oblast, odstranění šumu (noise reduction), redukce přebytečných bodů (uniform sample, zadat "curvature priority" na maximum), vytvoření trojúhelníkové sítě (compute wrap) a vyplnění děr (fill holes). Postup je nutné provádět přesně v uvedeném pořadí, jinak nebude dosaženo dobrých výsledků. Kromě druhého kroku jsou všechny funkce automatické. V našem případě vyhodnocení fasády bylo načteno naměřených přibližně šest miliónů bodů. Pomocí inteligentní redukce byl počet bodů snížen na přibližně milión bodů bez viditelné ztráty informací o křivosti ploch (body jsou redukovány hlavně v oblastech s minimální změnou křivosti – v rovinných oblastech). Byly vygenerovány přibližně dva milióny trojúhelníků. Tím ale bylo dosaženo zhruba stropu možností použité výpočetní techniky (Pentium 4 3.2 GHz, 1024 MB RAM, 256 MB grafická karta). Při větším počtu bodů v projektu by bylo nutné zpracovávat jednotlivé části odděleně. Doba zpracování byla přibližně jedna hodina. Grafické znázornění viz obr. 7.
obr. 7 – Trojúhelníková síť Ve vytvořené síti bylo možné jednoduše provést změření kontrolních vzdáleností (jejich porovnání viz tab. 2). Pro další zvýšení množství a kvality zaznamenané informace, je možné v některých softwarech přidat k síti texturu z fotografie viz obr. 8.
6
obr. 8 – Neotexturovaná a otexturovaná trojúhelníková síť Velikost výsledného souboru ve formátu stl (Stereo Litography, obecný formát pro ukládání 3D modelů) je přibližně 11 MB (260 MB celá fasáda s menší redukcí bodů) a k používání dat je nutné vlastnit některý ze specializovaných programů pro práci s trojúhelníkovou sítí.
3.2.4. CAD model z trojúhelníkové sítě Pokud budeme chtít vytvořit CAD model z trojúhelníkové sítě, je vhodné převést vytvořené okno do některého z CAD systémů. Vhodným formátem k převodu je například formát stl. K vyhodnocení byl použit systém Microstation. Tento systém není uzpůsoben pro práci s milióny grafických prvků, a proto bylo převedeno pouze jedno okno, které v našem případě obsahovalo přibližně 70 tisíc trojúhelníků. S tímto počtem se dalo ještě pohodlně pracovat, podmínkou ale byla grafická karta umožňující hardwarovou podporu vykreslování. Převedená trojúhelníková sít a její renderovaná podoba viz obr. 9. V tomto zobrazení se dalo pohodlně provádět kresbu chytáním se na příslušné body pomocí pokusného tlačítka.
7
obr. 9 – Vizualizace v Microstationu Díky pokročilým modelovacím funkcím bylo v systému Microstation možné provést modelování i složitých detailů jako ozdobné rámování viz obr. 6. Určitou systematickou chybu do výsledného modelu vnáší skutečnost, že trojúhelníková síť (a v podstatě i přímo naměřené body) způsobuje zaoblování hran. Výsledný model viz obr. 10.
8
obr. 10 – Model v systému Microstation Velikost výsledného souboru je přibližně 0.1 MB a k používání dat je nutné vlastnit libovolný 3D CAD systém. Doba k vytvoření 3D modelu z trojúhelníkové sítě přibližně dvě hodiny.
4. Zhodnocení přesnosti Objektivně byla přesnost výstupů zhodnocena srovnáním kontrolních délek (použité délky viz obr. 2). Jako srovnávací etalon bylo použito zaměření koncových bodů kontrolních délek metodou prostorového protínání vpřed z úhlů. Měření bylo provedeno přesnou totální stanicí Leica TC 1700 (směrodatná odchylka směru pět grádových vteřin, dálkoměru 2mm + 2ppm x D). Rovnoběžně s fasádou byla volena základna o délce přibližně dvacet metrů. Z rozborů přesnosti vyplývá směrodatná odchylka v takto určené délce na fasádně menší než dva milimetry. Tato přesnost je dostatečná vzhledem k očekávaným přesnostem srovnávaných metod a vzhledem k reálnému provedení zaměřovaných rohových bodů na fasádě, které stejně neumožňuje jejich přesnější identifikaci. délka č. [mm] Etalon Topcon Mračno Cyclon model Troj. síť Microstation model
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1494 1487 1490
360 358 357
508 450 508
496 460 499
505 450 505
503 470 498
1240 1228 1239
1244 1239 1244
1627 1628 1618
1409 1406 1408
3106 3102 3105
3111 3111 3109
1498
365
506
494
509
488
1240
1249
1621
1413
3103
3106
1484
349
494
486
496
494
1243
1248
1611
1416
3105
3109
1484
340
484
482
489
479
1232
1242
1614
1412
3108
3109
tab. 1 – Kontrolní délky Protože je možno předpokládat, že referenční vzdálenost je výrazně přesnější než posuzovaná, je u absolutních rozdílů uvažován charakter skutečných chyb. Vzorec pro směrodatnou odchylku tedy je: 9
n
σ=
∑ε ε
i i
1
n −1
,
(1)
kde symbol σ označuje směrodatnou odchylku délky určenou z kontrolních délek a n je počet porovnávaných délek. Absolutní rozdíly [mm]
Topcon Mračno Cyclon model Troj. síť Microstation model
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
σ [mm]
7 4
2 3
58 0
36 3
55 0
33 5
12 1
5 0
1 9
3 1
4 1
0 2
29 4
4
5
2
2
4
15
0
5
6
4
3
5
6
10
11
14
10
9
9
3
4
16
7
1
2
10
10
20
24
14
16
24
8
2
13
3
2
2
15
tab. 2 – Srovnání kontrolních délek
5. Zhodnocení ostatních faktorů V následující tabulce je hodnocena časová náročnost měření a zpracování, velikost uchovávaných dat a náročnost na softwarové a hardwarové vybavení uživatele dat. Kategorie
Topcon Mračno Cyclon model Troj. síť Microstation model
Čas měř. [h] 1 1 1 1 1
Čas zprac. [h] 1 0.2 4 1 2
Data okno [MB] 0.1 24 0.1 11(stl) 0.1
Data fasáda [MB] 180 260 (stl) -
Nutný software
Nutný hardware
3D CAD spec. 3D CAD spec. 3D CAD
běžný výkonný běžný výkonný běžný
tab. 3 – Srovnání metod měření a zpracování Označení "3D CAD" ve sloupci "Nutný software" znamená nutnost vlastnit libovolný CAD systém, který pracuje ve 3D a který umí importovat formát Autocadu dxf nebo Microstationu dgn. Označení "spec." znamená nutnost vlastnit speciální software pro práci s mračnem bodů a (nebo) trojúhelníkovými sítěmi. Většina komerčních softwarů má kromě placených verzí k dispozici taky prohlížeč s freewarovou licencí např. Cyclone-VIEWER nebo Polyworks/IMView. Tyto verze ale neumožňují nic jiného než prohlížení mračen, trojúhelníkových sítí nebo hotových modelů (ani měření vzdáleností není možné). S těmito softwary je taky tradičně spojena vysoká softwarová náročnost daná velkým počtem zobrazovaných grafických prvků (body, linie, trojúhelníky) a výpočetně náročnými operacemi na nich prováděných (inteligentní redukce počtu, snížení šumu, generování trojúhelníkových sítí). Hardwarové parametry většinou limitují rozsah zpracovávaného projektu (respektive nutnost jeho rozdělení na více částí).
10
6. Závěr V příspěvku byly zhodnoceny některé metody použitelné pro zaměření a zpracování skutečného stavu členité historické fasády. Jako kritéria k posouzení uvedených metod byla použita dosažená přesnost, časová náročnost měření a zpracování, velikost uchovávaných dat a náročnost na softwarové a hardwarové vybavení uživatele dat. Z uvedených výsledků shrnutých zejména v tabulkách tab. 2 a tab. 3 je zřejmé, že zhodnocení je velmi obtížné a neexistuje jednoznačná odpověď, která z metod je nejlepší. Z hlediska přesnosti se jeví jako nejlepší metoda přímého měření (kreslení) v mračnu bodů, tato metoda je také velmi výhodná z důvodu minimálního času nutného na zpracování. Nad druhou stranu je v mračnu obtížná orientace a výběr bodů. Další nevýhodou jsou vysoké nároky na softwarové a hardwarové vybavení uživatele. Určitou nevýhodou může být taky nejednoznačnost výsledků (vzdáleností nebo kresby), protože při opakovaném měření stejného bodu (rohu nebo hrany) může být pokaždé vybrán jiný bod. Druhou nejpřesnější metodou bylo vytvoření modelu prokládáním geometrických útvarů výběry z mračna bodů. Tato metoda má výhodu v jednoznačnosti výsledků při opakovaném vyhodnocení a v malých nárocích na softwarové a hardwarové vybavení uživatele výsledného modelu. Nevýhodou je naopak největší časová náročnost na zpracování a taky problematičnost zpracování malých detailů. Další metodou v pořadí podle přesnosti je vytvoření modelu pomocí trojúhelníkových sítí. Tato metoda není příliš náročná na čas zpracování. Ve výsledném modelu se mnohem lépe orientuje než v prostém mračnu bodů. Jistou nevýhodou jsou ale vysoké nároky na softwarové a hardwarové vybavení koncového uživatele. Následující uvažovanou metodou bylo vypracování 3D CAD modelu kresbou hran objektů v trojúhelníkových sítích. Důvodem trochu nižší přesnosti této metody je několikanásobná úprava měřených dat před konečnou kresbou (úprava mračna, generování sítě, úprava sítě). To je způsobeno hlavně nutností snížení počtu trojúhelníků před převodem sítě do CAD systému. Pokud by byla umožněna pohodlná kresba v originální neredukované trojúhelníkové síti, byla by výsledná přesnost totožná s předchozí metodou. Tvorba CAD modelu v trojúhelníkové síti je relativně rychlá a pohodlná a výsledný model je snadno použitelný pro dalšího uživatele. Nejméně přesný je 3D drátěný model vytvořený z dat měřených totální stanicí Topcon. To je způsobeno pravděpodobně příliš velkou šířkou dálkoměrné stopy a vyhodnocení jejího odrazu firmwarem totální stanice. Tato metoda se pro záznam detailnějších prvků na fasádě v podstatě ukázala jako nepoužitelná.
Příspěvek byl zpracován v rámci grantového projektu GA ČR 205/04/1398 „Využití 3D skenerů v geodézii a památkové péči“.
11
