Čestné prohlášení Prohlašuji, že tuto bakalářskou práci Laserové skenování v podzemí Jihlavy jsem vypracovala a napsala samostatně, za přispění odborných konzultací a uvedené literatury.
V Praze dne 21. května 2013
.............................................. vlastnoruční podpis autora
Poděkování Na tomto místě bych ráda poděkovala vedoucímu diplomové práce Ing. Tomáši Křemenovi, Ph.D. za pomoc při skenovaní v terénu, odborné rady a vedení v průběhu celé práce. Dále bych ráda vyjádřila poděkování vedoucímu katedry mapování a kartografie prof. Dr. Ing. Karlovi Pavelkovi za poskytnutí 3D laserového skeneru a katedře speciální geodézie za poskytnutí špičkového počítačového vybavení.
Abstrakt Obsahem
této
bakalářské
práce
je
zaměření
a
vyhotovení
dokumentace přístupné části Jihlavského podzemí, nazývané též Starý okruh. Veřejnosti přístupná část podzemí byla podrobně zaměřena metodou laserového skenování systémem Surphaser 25HSX. Získaná mračna bodů byla
zpracována
v programech
Cyclone
a
Geomagic
Studio
a transformována do systému S-JTSK pomocí programu Alltran. Výstupem je 3D model ve formě mračna bodů a účelová důlní mapa. Oba výstupy jsou v souřadnicovém systému S-JTSK (Systém jednotné trigonometrické sítě katastrální) a výškovém systému Bpv (Baltský po vyrovnání). Výsledky budou sloužit jako dokumentace skutečného stavu části jihlavského podzemí.
Klíčová slova Laserový skenovací systém, mračno bodů, účelová důlní mapa
Abstract The main topic of this bachelor's thesis is the measurement and documentation of the publicly accessible part of the Jihlava town's underground known as "Starý okruh". The publicly opened part of the underground was accurately measured using laser scanning system Surphaser 25HSX. The resulting point clouds were then processed in the Cyclone and Geomagic software and further transformed into the S-JTSK (Datum of Uniform Trigonometric Cadastral Network) coordinate system and height system BAA (Baltic After Adjustment) using the computer software Alltran. The results of this work are the 3D model of the underground and the special mine plan. These will serve as an accurate documentation of the current state of the Jihlava underground.
Key words Laser scanning system, point cloud, special mine plan
Obsah Poděkování .....................................................................................................2 Abstrakt...........................................................................................................3 Abstract...........................................................................................................4 1 Úvod ..........................................................................................................9 2 Historie Jihlavských katakomb .................................................................11 2.1 Vyražení ...........................................................................................11 2.2 Sanace .............................................................................................12 2.3 Současný stav ..................................................................................13 3 Rekognoskace terénu ..............................................................................15 4 Měření......................................................................................................16 4.1 Laserové skenování – technologie ...................................................16 4.1.1 Výhody laserového skenování...............................................17 4.1.2 Dělení skenovacích systémů.................................................17 4.2 Použité přístroje a software ..............................................................19 4.2.1 3D laserový skener................................................................19 4.2.2 Software ................................................................................20 4.3 Nastavení programu při měření........................................................20 4.4 Postup měření, rozložení stanovisek................................................23 5 Zpracování...............................................................................................25 5.1 Export dat .........................................................................................25 5.1.1 Nastavení masky...................................................................27 5.2 Redukce dat .....................................................................................30 5.2.1 Redukce dat – postup ...........................................................30 5.3 Čištění skenů....................................................................................32 5.4 Spojování skenů...............................................................................34 5.4.1 Modelování identických bodů ................................................34
5.4.2 Registrace .............................................................................37 5.4.3 Druhá redukce dat a transformace ........................................42 5.5 Tvorba účelové důlní mapy ..............................................................44 5.5.1 Důlní vyhláška .......................................................................44 5.5.2 Transformace spojeného mračna do S-JTSK a Bpv .............45 5.5.3 Kresba obrysů mapy .............................................................48 6 Závěr........................................................................................................51 Literatura.......................................................................................................53 Seznam obrázků ...........................................................................................55 Seznam tabulek ............................................................................................56 Seznam příloh...............................................................................................56
1
Úvod Laserové
v posledních
skenování letech
je
rychle
poměrně rozšiřuje.
nová Tato
technologie,
metoda
přináší
která
se
měřické
a dokumentační možnosti, které byly dříve naprosto nepředstavitelné. Umožňuje rychlou a přesnou dokumentaci objektů různých velikostí. Od přesné dokumentace malých součástek, přes památkářskou dokumentaci až po skenování zemského povrchu a tvorbu digitálního modelu terénu. Díky své univerzálnosti nachází laserové skenování široké uplatnění například ve strojírenství, při měření deformací, jako dokumentace současného stavu objektů pro památkáře a v neposlední řadě při tvorbě digitálních modelů vhodných pro vizualizaci a prezentaci. Využíváno je také například pro dokumentaci jeskynních komplexů. Částečně i tato skutečnost vedla k myšlence použít tuto technologii při dokumentaci Jihlavského podzemí, které je jistě možné považovat za významnou kulturní a historickou památku hodnou zdokumentování. Hlavní motivací pro naskenování Jihlavského podzemí a vytvoření jeho prostorového modelu byl zájem předsedy občanského sdružení Georgii Agricola Davida Kočky. Toto občanské sdružení v roce 1990 zařídilo zpřístupnění podzemí pro veřejnost a nyní spravuje podzemí a organizuje prohlídky. Do budoucna plánují zpřístupnit i další části podzemí. K tomu je ovšem potřeba vytvořit dokumentaci podzemí. V historii
byla
skutečná
podoba
podzemí
utajována
městským
patriciátem. V průběhu druhé světové války se o zhotovení plánu pokusil jihlavský německý stavitel, ale dokončenou mapu nacisté zničili. Kompletní mapa vznikla až roku 1964 v průběhu hydrologického průzkumu [3]. Do dnešní doby se dochovala pouze mapa v analogové podobě bez číselných údajů. Tato bakalářská práce si klade za cíl vytvořit účelovou důlní mapu a prostorový model již přístupné části podzemí. Účelová důlní mapa je součástí potřebné dokumentace pro zpřístupnění dalších částí podzemí. 9
Prostorový model bude sloužit jako vizualizace použitelná pro propagaci podzemí a také bude možné z tohoto modelu vytvářet další dokumentaci jako jsou například řezy a podobně. Před započetím prací byla provedena rekognoskace terénu při které byl odhadnut rozsah prací. Poté byla zájmová oblast naskenována. Pro transformaci do systému S-JTSK (Systém jednotné trigonometrické sítě katastrální) a Bpv (Baltský po vyrovnání) jsou potřeba identické body známé v těchto systémech. Tyto body byly převzaty ze zaměření, které provedl Lukáš Vosyka v rámci své bakalářské práce. Naskenovaná data byla dále upravena a spojena v programech Geomagic Studio a Cyclone a pomocí konzolového programu Alltran transformována do systému S-JTSK a Bpv. Z takto zpracovaných dat byla vytvořena účelová důlní mapa,
která byla
následně editována do výsledné podoby v programu MicroStation.
10
2
Historie Jihlavských katakomb Jihlavské podzemí je významnou historickou stavební památkou města.
Co do rozsahu podzemního labyrintu přímo pod městskou zástavbou je po Znojmu druhým největším na území naší republiky. Jeho celková délka činí 25 km a zaujímá plochu 50 000 m2. [1] Chodby jsou raženy ve skále v několika podlažích. Nacházejí se téměř pod všemi objekty historického jádra města. Sklepní prostory, v hloubce 2 až 4 m pod povrchem tvoří první podzemní podlaží, z něhož lze sestoupit do podlaží druhého, do hloubky 4 - 6 m. Pod některými objekty je v hloubce 8 - 14 m raženo i podlaží třetí. [2]
2.1
Vyražení
O příčinách vzniku jihlavského podzemí existovaly tři teorie. Nejdříve se historikové domnívali, že podzemní chodby jsou zbytky starých stříbrných dolů. Pozdější geologický průzkum však ukázal, že zdejší rula neobsahuje stopy stříbra a způsob ražení chodeb neodpovídá způsobu ražby důlních štol. [3] Druhá teorie říká, že podzemní chodby byly raženy pro vojenské účely. Toto se také nepotvrdilo, ačkoli chodby byly později vojensky využívány v průběhu třicetileté války a také za druhé světové války jako protiletecký kryt. Proběhla řada výzkumů a v současnosti se historikové domnívají, že podzemní chodby byly vybudovány z hospodářských důvodů. Přestože Jihlava je známá hlavně těžbou stříbra, tak ve 14. století přišlo mírné zemětřesení a velké množství dolů bylo zasypáno nebo zatopeno [4]. Mnoho horníků tak přišlo o práci. Jelikož Jihlava ležela na důležité křižovatce středověkých obchodních cest, tak v době, kdy význam těžby stříbra poklesl, začal se ve městě prudce rozvíjet obchod a řemesla. Kupci a řemeslníci 11
potřebovali pro uskladnění svého zboží a výrobků větší prostory a protože na povrchu již byl místa nedostatek, začali rozšiřovat stávající sklepy. Na ražbě sklepení pracovali jihlavští horníci, kteří přišli o práci v dolech. Tak ve 14. století bylo vyraženo první patro sklepů a propojovacích chodeb [5]. V průběhu 16. a 17. století bylo vyraženo druhé a třetí patro [6]. Dále vznikaly menší kanalizační štoly. Chodby byly spádované a měly také odvodňovací účel. Případně byla voda jímána do podzemních nádrží a studní, které je možno na několika místech nalézt dodnes. V 2. polovině 17. století byly chodby, které byly vyraženy v měkčí hornině a hrozily sesuvem zpevněny cihlovou vyzdívkou. [5]
2.2
Sanace
V 18. a 19. století se podzemí postupně přestávalo využívat. Část byla přeměněna na kanalizaci, část chodeb byla zasypána nebo se zanesly odpadem. Na některých místech se chodby propadly. Následkem toho podzemí přestalo plnit svou odvodňovací funkci, chodby se začaly zaplňovat vodou a hrozilo podmáčení základů staveb. [3] Chodby musely být vyčištěny, byly nalezeny a obnoveny původní odtokové kanály. Na několika místech došlo k dalšímu propadu chodeb a další místa také hrozila propadnutím. Bylo tedy urychleně rozhodnuto o zpevnění chodeb vrstvou betonu. Zpevňovací práce započaly v listopadu 1965 ve východní části Masarykova
náměstí.
Pracovníci
Geoindustrie
a
podniku
Výstavba
kamenouhelných dolů Kladno opatřili stěny chodeb dřevěným bedněním vzdáleným cca 30 cm od skály (Obr. 2.1). Vzniklý prostor byl od roku 1966 betonován nástřikem pomocí tlakové pistole, hmotu do hlubin vhánělo potrubí pomocí stlačeného vzduchu. [7]
12
Obr. 2.1 Výdřeva pro nalití betonu při sanaci Zdroj: Lidé v podzemí - http://webhouse.cz/misspage/demlova/lid.htm
2.3
Současný stav
Sanace chodeb provedená ve 20. století zabránila dalším propadům, ale těmito opatřeními byla také značně snížena historická hodnota podzemí. V současné době je vybetonována většina prostor. Vybetonováním byly chodby také podstatně zmenšeny. Tloušťka betonového krunýře dosahuje v některých místech desítek centimetrů. Podzemní chodby jsou široké 0,8 - 2,5 m a vysoké 1,2 - 3,5 m. Pro veřejnost je zpřístupněna část podzemí nazvaná Starý okruh. Tato trasa zahrnuje zhruba 250 metrů chodeb, z nichž velká část se dochovala v původním stavu. Místy jsou
stěny a stropy zpevněny cihlovými pásy
pocházejícími z 16.–18. století. Vchod do okruhu se nachází u městské knihovny. Trasa vede pod severovýchodní částí Masarykova náměstí, tedy v místech, kde původně stávaly městské domy zbořené v 17. století, dnes zde najdeme budovy 13
někdejšího jezuitského kláštera a kostel sv. Ignáce z Loyoly, k jehož základům je možné podzemím dojít. (Obr 2.2) Prohlídkovou trasu spravuje a prohlídky organizuje Občanské sdružení Georgii Agricola. Více informací o sdružení viz. [8].
Obr. 2.2 Základy kostela sv. Ignáce z Loyoly
14
3
Rekognoskace terénu Při rekognoskaci terénu jsme prošli celou část podzemí, která je
předmětem skenování. Naplánovali jsme přibližná umístění stanovisek a jejich celkový počet odhadli na 40 až 50. Doba potřebná k zaměření by měla být přibližně jeden den. Předmětem skenování je část podzemí přístupná veřejnosti, která je také nazývána „starý okruh“. Je to systém chodeb o celkové délce zhruba 250 metrů. Chodby nejsou ve stejné úrovni, a je možné rozdělit je do dvou pater. Dále je možné podzemní prostory rozdělit podle materiálu, který tvoří stěny a strop. V některých částech je možné vidět skálu ve které je podzemní komplex vytesán. Část chodeb je zpevněna cihelnou vyzdívkou. Nachází se zde 2 druhy cihelné vyzdívky: starší vyzdívka pochází z 2.poloviny 17. století. Cihly jsou větší a mají protáhlejší tvar. Novější vyzdívka je tvořena menšími cihlami. Část
chodeb byla
v průběhu
sanace
z bezpečnostních
důvodů
zpevněna betonovou vrstvou. Na celé trase byla betonem zpevněna také podlaha a po stranách jsou vytvořeny odtokové kanálky.
15
4
Měření 4.1
Laserové skenování – technologie
Laserové skenování je poměrně nová metoda měření, která se v posledních letech rychle rozvíjí jak po stránce přístrojového vybavení, tak softwaru potřebného pro zpracování. Od metod klasické geodézie se výrazně odlišuje neselektivním sběrem bodů. To znamená, že na rozdíl od klasických metod nejsou jednotlivě zaměřovány charakteristické body, ale automatizovaně je sebráno velké množství bodů (až statisíce bodů za vteřinu) v pravidelných rozestupech. Laserové skenování také bývá definováno jako proces sběru digitálních informací o povrchu objektu prostřednictvím 3D skenovacího systému, který k měření vzdálenosti od objektu používá laserový svazek. [9] 3D skenovací systém je systém umožňující převést vybraný reálný objekt do podoby počítačového virtuálního modelu. Tento systém se skládá ze 3D skeneru, řídící jednotky, programu pro řízení skenování, programů pro zpracování naměřených dat a příslušenství (stativ, baterie, identické body atd.) [10] 3D skenery obecně pracují na několika různých principech, které jsou vyjmenovány v následující kapitole. V tomto případě byl pro měření použit polární fázový skener. Skenery tohoto druhu fungují tak, že laserový svazek je naváděn podle programu na body úhlového rastru ve sloupcích a řadách, přičemž je měřen horizontální a vertikální úhel a vzdálenost. Z těchto měřených údajů jsou poté vypočteny prostorové souřadnice pomocí prostorové polární metody. Navíc je obvykle zaznamenávána i intenzita vráceného signálu, kterou je při zpracování možné použít pro lepší vizualizaci. Podrobnější informace viz. [10]
16
4.1.1
Výhody laserového skenování
Mezi hlavní výhody této technologie se řadí: • přesné zaměření stávajícího stavu s výrazně vyšší produktivitou práce, což přináší finanční úspory • významné zkrácení práce v terénu • měření může probíhat za plného provozu nebo jen malého omezení a zároveň není ohrožena bezpečnost měřiče • rychlé zpracování digitálních modelů terénu • zpracování komplexních modelů složitých objektů
4.1.2
Dělení skenovacích systémů
Skenovací systémy je možné dělit podle různých kritérií. Použité dělení je převzato z [11]. Jedním ze zásadních kritérií je, jestli se skener v průběhu měření hýbe nebo je pevně umístěn. V závislosti na tom dělíme skenovací systémy na statické (umístěny pevně na Zemi) a na kinematické (umístěny na pohybujícím se nosiči). Dále budou uvedena pouze kritéria pro dělení statických systémů. Statické skenovaní systémy dělíme podle:
1) Principu • Polární skenery o Měření tranzitního času o Měření fázového rozdílu • Skenery se základnou o S jednou CCD kamerou o Se dvěma CCD kamerami
17
2) Dosahu • Systémy s velmi krátkým dosahem D1 (0,1 m až 2,0 m) • Systémy s krátkým dosahem D2 (2 m až 10 m) • Systémy se středním dosahem D3 (10 m až 100 m) • Systémy s dlouhým dosahem D4 (100m a více) 3) Přesnosti – přesnost souvisí s tím na jakou vzdálenost se skenuje. Skenovací systémy určené pro měření na kratší vzdálenost bývají přesnější. • Skenery s malou základnou P1 (0,01 mm až 1 mm) • Skenery s velkou základnou a polární skenery s krátkým dosahem P2 (0,5 mm až 2 mm) • Polární skenery se středním dosahem P3 (2 00 až 6 mm) • Polární skenery s dlouhým dosahem P3 (10 mm až 100 mm) 4) Rychlosti skenování • Systémy s nízkou rychlostí R4 (do 10 bodů za sekundu) • Systémy se střední rychlostí R3 (10 až 1000 bodů za sekundu) • Systémy s vysokou rychlostí R2 (1000 až 50 000 bodů za sekundu) • Systémy s velmi vysokou rychlostí R1 ( více jak 50 000 bodů za sekundu) 5) Třídy laseru – bezpečnostní třídy laseru jsou hodnoceny na stupnici I. až IV. kde I. je nejslabší laser. Pro skenování se používají třídy II. a III.a. Třídy jsou definovány normou ČSN EN 60825-1 Bezpečnost laserových zařízení. • Třída II. – možný pohled do zdroje, oko ochrání mrkací reflex • Třída III. a – při pohledu do zdroje přes optickou soustavu může být oko poškozeno
Podrobnější informace viz. [11].
18
4.2
Použité přístroje a software
4.2.1
3D laserový skener
Pro provedení laserového skenování byl použit skener Surphaser 25HSX (Obr. 4.1.) s konfigurací IR_X [12], který byl zapůjčen katedrou mapování a kartografie. Jedná se o panoramatický fázový skener, který dosahuje přesnosti lepší než milimetr v rozsahu vzdáleností od 0,4 m do 30 m. Přístroj skenuje obě hemisféry současně a je schopen změřit až 1,2 milionu bodů za sekundu. Použitý laser se řadí do třídy 3R. Rozsah zorného pole skeneru je 360° x 270°. To znamená, že přístroj nedokáže naskenovat oblast přímo pod sebou od hloubkového úhlu 45° do 90°. Tento skener je vhodný pro použití v reverzním inženýrství, kontrolním měření menších a středních objektů a při obnově a péči o historické památky. Je navržen pro používání v průmyslovém a venkovním prostředí. Popis všech technických vlastností uváděných výrobcem viz [12].
Obr. 4.1 Surphaser 25HSX
19
4.2.2
Software
Jelikož při laserovém skenování jsou pořizována mračna bodů obsahující miliony bodů, je třeba použít pro zpracování specializovaný software přizpůsobený tomu, aby tyto objemy dat zvládl. Pro ovládání skeneru Surphaser je zapotřebí software Surph Expres Standard, pomocí kterého se nastavují parametry skenování, jako je například hustota, a pomocí kterého se skenování spouští. Ve fázi zpracování byl tento program použit také pro základní čištění a export dat do formátu, se kterým je možné pracovat v dalších programech. Většina zpracování proběhla v programu Cyclone. V tomto programu se provádělo čištění a spojování skenů a s tím související operace. A také zde byla tvořena účelová důlní mapa, která pak byla dokončena v programu MicroStation V8. Dalším softwarem použitým zejména pro redukci dat a později pro transformaci do souřadnicového systému S-JTSK byl program Geomagic Studio.
4.3
Nastavení programu při měření
Před započetím samotného skenování je důležité věnovat pozornost nastavení jednotlivých parametrů skenování v programu, který komunikuje se skenerem, ovládá ho a ukládá naskenovaná data. Skener je propojen s notebookem pomocí USB kabelu a v notebooku je spuštěn program Surph Express Standard, který komunikuje se skenerem. V tomto programu v záložce Scan (Obr. 4.2.) se provedou potřebná nastavení.
20
Obr. 4.2 Záložka Scan v programu Surph Express Standard
Při prvním spuštění programu (po instalaci) je třeba nejdříve načíst soubor HS858_033.rpr obsahující parametry skeneru. Tento soubor dodává výrobce zároveň se skenerem. Po zadání tohoto souboru program načte parametry skeneru a zobrazí je v záložce Scan. Při dalším spuštění programu si již načtené parametry pamatuje. Po otevření okna Configuration (záložka Scan) jsou na výběr způsoby skenování 1pass a 2pass. První možnost znamená, že vzdálenost každého snímaného bodu bude měřena pouze jednou, druhá možnost je, že vzdálenost
bude
zdvojnásobení
měřena
času
dvakrát.
měření
a
Volba
objemu
druhé dat.
možnosti
Druhým
způsobí
parametrem
nastavovaným v této záložce jsou volby HQ (High Quality) nebo HS (High Sensitivity). Možnost HQ je vhodná spíše pro blízké a relativně světlé povrchy, zatímco možnost HS je optimalizovaná pro lepší skenování tmavších povrchů za cenu většího šumu. V sekci Scan Region se zvolí skenovaná oblast. Možnosti jsou Full Volume,Sector scan, Scan from Preview Selection. 21
• Full Volume - naskenování celého okolí skeneru 360° x 270°. Nenaskenována zůstává pouze slepá zóna pod skenerem. • Sector scan – naskenování
výseče definované pomocí rozmezí
horizontálního úhlu od nuly přístroje. Přístroj se natočí směrem, kde má aktuálně nulu, aby bylo možné nastavení provést. • Scan from Preview Selection – skener provede rychlé a méně podrobné skenování celého svého okolí, ze kterého potom uživatel vybere část, která bude naskenována podrobně. Třetím důležitým parametrem je hustota skenování, která se nastavuje v sekci Scan Density. Je možné nastavit jak horizontální, tak vertikální hustotu. Hustota je vyjadřována v jednotkách LPD (Lines per degree) pro horizontální hustotu a PPD (Points per degree) pro vertikální hustotu. Je možné zvolit Equal Grid Aspekt Ratio, což znamená, že vertikální a horizontální hustota bude stejná a následně se tedy volí hustota pouze jedna. Podle
zvolených
parametrů
program
vypočte
přibližnou
dobu
skenování, množství bodů a objem dat. V našem případě byly parametry nastaveny následovně: • Configuration: 1pass_70m_HQ (nejvhodnější pro tento typ skeneru) • Scan Region: Full Volume (cílem je zachytit prostor v celém okolí skeneru) • Scan Density: 20,06 LPD, což je nejnižší možná hustota a na vzdálenost 20 metrů odpovídá rozestupu bodů 17,4 mm. Stejná hustota byla použita pro horizontální i vertikální směr (aktivována volba Equal Grid Aspekt Ratio). S tímto nastavením byla přibližná doba skenování na jednom stanovisku 2 minuty a odhadnutý objem dat 106 Mb.
22
4.4
Postup měření, rozložení stanovisek
Měření bylo provedeno dne 4. února 2013. Celkem bylo měřeno na 43 stanoviscích. Pro měření byl použit laserový skener Surphaser 25HSX [12] číslo BSSCHSX025858. Při měření bylo postupně měřeno na stanoviscích určených při rekognoskaci terénu. Jednotlivá stanoviska od sebe byla vzdálena řádově několik metrů. Obvykle zhruba 4 až 5 metrů. V místech s velkou členitostí, kde chodba prudce zahýbala nebo z ní vycházely další chodby (např. rozrážky) byla hustota stanovisek větší, aby byla naskenována všechna místa.
Obr 4.3 Náčrt stanovisek skeneru
Jednotlivé skeny byly ve fázi zpracování spojovány pomocí identických bodů. Proto byly při skenování rozmisťovány identické body tak, aby ze sousedních dvou stanovisek byly vidět minimálně 3 společné identické body. Vhodné je umístit body aspoň 4 pro případ, že by některý bod byl přesunut a také proto, že při použití více bodů je možné provést vyrovnání. 23
V tomto případě byly jako identické body použity bílé koule o průměru 145 mm, které mají na spodní straně plošku s magnetem, takže je možné je postavit na rovnou plochu, případně pomocí magnetu uchytit na kovové objekty (např. zábradlí). Pro pozdější transformaci modelu do souřadnicového systému S-JTSK (Systém jednotné trigonometrické sítě katastrální) a výškového systému Bpv (Baltský
po
vyrovnání)
byly
totální
stanicí
Leica
TS06
zaměřeny
charakteristické body. Byly to zejména rohy stěn a dobře identifikovatelné lomové body odvodňovacích kanálků. Body byly voleny tak, aby byly rozmístěny po celém podzemí a aby později bylo snadné je v mračnu vyhledat. Přehledka bodů je v Příloze 5 a detaily umístění bodů v Příloze 6. Tyto body byly použity jako identické body pro výpočet transformačního klíče z místní soustavy do soustavy S-JTSK.
24
5
Zpracování 5.1
Export dat
Cílem exportu dat je převést mračna z formátu .c3d, do kterého byly naskenovány, do formátu, který je použitelný pro další zpracování. V tomto případě to bude ASCII formát .xya, který po přepsání přípony na .txt je možné načíst do programu Geomagic Studio nebo Cyclone. Pro export dat byl použit stejný program jako pro ovládání skeneru při měření, tedy Surph Expres Standard. V tomto programu je při exportu možné pomocí vhodného nastavení parametrů filtrovat nesprávně naskenovaná data pomocí exportní masky (např. malý úhel odrazu) nebo například vyříznout jen část skenovaného prostoru.
První část nastavení se provádí v záložce Filtering (Obr. 5.1). Zde vidíme celkový počet bodů, který obsahuje aktuálně zpracovávaný sken. V sekci Processing Angles se zvolí jestli má být zpracován a exportován celý sken nebo pouze jeho část, která se definuje jako výseč pomocí horizontálních úhlů. V tomto případě byla zvolena možnost Full Scan. V sekci Vertical angles je na výběr jestli bude exportována přední nebo zadní polovina skenu (Front, Rear). Nebo jestli budou exportovány obě poloviny (Both). Přední a zadní polovina jsou definovány podle postavení skeneru v době skenování. Byla zvolena možnost Both, aby byl exportován celý sken. Další volbou je Sector, kde se zvolí limity výškového úhlu exportované oblasti. Jako spodní limit bylo zvoleno -45°, protože níže už je slepá zóna skeneru. Horní limit byl ponechán na 90°. Další nastavení v této záložce už ovlivňuje jen to, jak bude zobrazen náhled na data před jejich exportem.
25
Obr. 5.1 Filtering – Surph Expres Standard
V následující záložce Processing Modes (Obr. 5.2) bylo nastaveno zobrazování 2D dat ve kterém bude později možné kontrolovat nastavení filtrační masky. Ve volbě Pixel separation byla nastavena hustota se kterou byly body skenovány, což je 17,4 mm. V sekci Point Cloud Export byl vybrán adresář do kterého budou soubory exportovány a formát exportovaných souborů .xya. Dále bylo zvoleno, že osa Z směřuje vzhůru (Z up) a že bude generováno mračno bodů (Cloud). V pravé části je třeba zkontrolovat, že volba % of point to export je nastavena na 100, aby byly exportovány všechny body.
26
Obr. 5.2 Processing Modes – Surph Expres Standard
5.1.1
Nastavení masky
Důležitá část nastavení při exportu dat je správné nastavení filtrační masky. touto maskou je možné z mračna již při exportu odstranit body, které jsou podezřelé z vícenásobného odrazu paprsku, mají moc nízkou nebo naopak moc vysokou intenzitu odrazu, jsou od skeneru vzdáleny více než je jeho dosah nebo jsou příliš blízko, případně jsou to ojedinělé body nebo body s příliš malým úhlem odrazu od povrchu. Vlastnosti masky jsou nastavovány v záložce Export Filters. Nastavení masky je možné vizuálně zkontrolovat před exportem ve 2D Intensity view (viz obr.5.4).
27
Jednotlivé parametry masky filtrují tyto body [13]: • Intensity Min – pixely s intenzitou stejnou nebo nižší než je daná hodnota. • Intenzity Max – pixely s intenzitou stejnou nebo vyšší než je daná hodnota. • Distance Low – body, které mají od skeneru danou nebo nižší vzdálenost. • Distance High - body, které mají od skeneru danou nebo větší vzdálenost. • Small Areas – oblasti obrazu, které jsou menší než daná hodnota. Jednotky jsou v úhlových minutách. • Incidence Angle – úhel pod kterým dopadá laserový paprsek na skenovaný povrch. Tato maska je zavedena proto, že při malém úhlu odrazu data ztrácí přesnost. • Gaps – přechodné oblasti na cílovém povrchu. Parametr určuje tloušťku linie použité pro určení mezery. • Contradictory Data – body, které byly označeny jako podezřelé, ale nemusí být chybné. • User Mask – maska zobrazená ve 2D Intensity view. (Obr 5.4) • Export mask – kombinace masek, které mají ve sloupečku „Use in 3D“ hodnotu „True“. Tyto masky budou použity při exportu dat.
Byla vyzkoušena různá nastavení masky a výsledným nastavením (Obr. 5.3) byla kombinace nastavení popsaných v [13] a [14]
28
Obr. 5.3 Použité nastavení masky
Obr. 5.4 Vlevo - exportovaná data s použitím masky – barevně jsou odlišena filtrovaná data, která nebudou exportována. Vpravo – bez použití masky
Po nastavení masky a provedení ostatních nastavení popsaných v této kapitole se data exportují pomocí tlačítka Process umístěným v horní liště programu. Průběh exportu a informace o výsledku můžeme sledovat v okně s protokolem, do kterého se vypisuje aktuální stav procesu.
29
5.2
Redukce dat
Data byla naskenována s hustotou 20,06 LPD. To odpovídá rozestupu bodů 17,4 mm na vzdálenost 20 m. Díky této míře přesnosti činí celkový objem naskenovaných dat cca 15Gb. Navíc hustota bodů vysoce přesahuje požadovanou míru detailu. A to zejména proto, že v mnoha místech byly skenované objekty ke skeneru blíže než 20 m (typicky do 8 m) a hustota je tedy vyšší. Vzhledem k nadbytečné hustotě dat bylo možné data redukovat. Tím se snížil objem dat a usnadnilo se další zpracování. Jako vhodná hustota na kterou mračna redukovat bylo určeno 8 mm. Tato hustota neohrožuje přesnost výsledků a zároveň se celkový objem dat zmenší na 5,1 Gb (80 až 140Mb na jeden sken), což je asi 30% původního objemu dat a to je přijatelné pro další zpracování. K redukci dat byl použit program Geomagic Studio, určený ke zpracovávání velkých mračen bodů.
5.2.1
Redukce dat – postup
Jelikož se bude redukovat všech 43 skenů, byl proces redukce dat automatizován pomocí makra. Nahrávání makra se nachází v záložce Tools – Macros – Record Macro. Makro bylo nazváno „redukce8mm“ a jako skriptovací jazyk ponechána Java. Po stisknutí na tlačítko Begin se začnou zapisovat všechny provedené operace. Po ukončení nahrávání Tools – Macros – Stop je možné pomocí funkce Tools – Advanced - Batch processing aplikovat nahrané makro na všechny skeny ve vybrané složce. V rámci nahrávání makra byla použita funkce Tools – Uniform Sample (Obr. 5.5). Tato funkce redukuje počet bodů mračna podle nastavených parametrů. Rozestup bodů byl nastaven na požadovaných 8 mm a nastavena maximální priorita křivosti (Curvature Priority Max), aby byly zachovány body v místech, kde je povrch zakřiven a pro jeho popsání je tedy potřeba větší množství bodů než pro rovnou plochu. 30
Obr. 5.5 Nastavení funkce Uniform Hample
Po ukončení nahrávání bylo pomocí funkce Batch Processing makro aplikováno na složku, která obsahuje všechny skeny (Obr. 5.6). Jako otevírací metoda bylo zvoleno Open, v kolonce Run Macros vybráno nahrané makro redukce8mm a vybrán formát *.vtx do kterého budou soubory exportovány. Dále byla zvolena složka do které budou redukovaná mračna ukládána. Po spuštění procesu trvala celá redukce bodů zhruba 15 hodin.
31
Obr. 5.6 Nastavení parametrů funkce Batch Processing
5.3
Čištění skenů
Čištění skenů a další operace s mračnem byly prováděny v programu Cyclone. V průběhu skenování byly kromě podzemních chodeb naskenovány i jiné předměty, které byly v podzemí umístěny, ale nejsou předmětem mapování a proto bylo potřeba je z mračen bodů odstranit (Obr. 5.7). Jednalo se zejména o naučné cedule, figuríny, umělou výzdobu jeskyní, části měřického vybavení a v jednom případě i kameramana. Část mračna, která byla odstraňována, byla vždy ohraničena pomocí funkce Polygonal Fence Mode a vymazána pomocí příkazu Fence – Delete inside. Takto bylo očištěno a zkontrolováno každé mračno.
32
Obr. 5.7 Před a po vyčištění mračna
Další věcí, která byla odstraněna, byl kroužek bodů (Obr. 5.8), který vznikl na každém stanovisku kolem skeneru. Tento kroužek bylo možné odstranit již v průběhu exportu dat nastavením větší hodnoty parametru Low v záložce Filtering. Tím by se ale zvětšila slepá oblast pod skenerem a byla by ztracena některá data. Proto byl odstraňován manuálně.
Obr. 5.8 Kroužek bodů vzniklý kolem každého stanoviště. 33
5.4
Spojování skenů
Aby bylo možné vytvořit celkový model podzemí a účelovou důlní mapu, bylo spojeno všech 43 skenů do jednoho celku. Spojení bylo provedeno pomocí kulových identických bodů.
5.4.1
Modelování identických bodů
Ve všech skenech byly vyhledány identické koule. Každá identická koule je reprezentována body, které byly získány naskenováním části jejího povrchu. Registraci skenů není možné provádět přímo spojením těchto bodů, protože z různých stanovisek je koule naskenována z různých směrů a proto body které vidíme nejsou totožné. Proto byla body proložena koule a identickým bodem je střed výsledné koule. Prokládáním
koule
mračnem
bodů
vzniká
systematická
chyba
ovlivňující její střed a poloměr [18]. Toto se projeví nejvíce u koulí s malým poloměrem. Proto bylo nutné nejdříve nastavit poloměr koule, která má být vytvořena. K tomu slouží funkce Edit – Object Preferences (Obr. 5.9). Zvolí se typ objektu (Object Type) koule (Sphere) a zaškrtne Fit Constraints, což znamená, že parametry koule budou pevně dány. V záložce Fit Diameter byl nastaven průměr na hodnotu 0,145 m, což je hodnota průměru koule udávaná výrobcem, a označí se jako fixed.
34
Obr. 5.9 Nastavení poloměru koule.
Po provedení tohoto nastavení se koule vymodeluje tak, že se vybere jeden z bodů, kterými má být koule proložena a použije se funkce Create Object – Region Grow – Sphere (Obr. 5.11). Program samostatně vybere z mračna body, kterými má být koule proložena a označí je (Obr. 5.10). Pomocí parametru Region Size je možné měnit velikost vybrané oblasti. Osvědčilo se vybrat bod, který leží co nejdál od objektu na kterém koule leží, protože program pak lépe identifikuje body, kterými má kouli proložit a vybranou oblast není třeba tolik upravovat.
Obr. 5.10 Vlevo označení bodu na kouli. Vpravo body vybrané funkcí Region Grow. 35
Obr. 5.11 Dialogové okno funkce Region Grow
Dále byl do středu každé vymodelované koule vložen bod funkcí Create Object – Insert – Vertex. Tyto body budou později využity při registraci, protože je program dokáže sám rozpoznat jako identické a použít je pro transformaci.
Obr. 5.12 Vlevo naskenovaná koule před vymodelováním. Vpravo vymodelovaná koule
36
5.4.2
Registrace
Cílem registrace je spojení jednotlivých skenů tak, aby na sebe navazovaly stejně jako je tomu ve skutečnosti a vytvořily ucelený model celé skenované oblasti. V předchozích
krocích
byly
skeny
pro
registraci
připraveny
vymodelováním identických bodů a odstraněním nevhodných a nepotřebných bodů. Registrace byla provedena v programu Cyclone. Doposud bylo s mračny bodů pracováno v záložce ModelSpace každého skenu. Před začátkem registrace bylo třeba zkopírovat obsah každého ModelSpace do příslušného ControlSpace (Obr 5.13), protože při registraci program pracuje pouze s daty v ControlSpace. Pokud by toto nebylo provedeno, program by data pro registraci nenašel a skeny by nebylo možné spojit.
Obr. 5.13 Struktura složky skenu – ModelSpace a ControlSpace
Po nahrání bodových mračen a identických bodů do ControlSpace byl program schopen automaticky identické body vyhledat a podle vzájemného uspořádání identických bodů automaticky navrhnout způsob spojení. Toto fungovalo jen při spojování menšího počtu skenů (cca 3 až 5). Při větším počtu skenů většinou program napojil skeny chybným způsobem. Proto byl zvolen postup spojování menšího počtu skenů a následného spojování takto vzniklých bloků. Jiný způsob řešení by mohl být přiřazování čísel jednotlivým identickým bodům. Podle těchto čísel by program poznal, které body spojit. Tento postup se však jevil jako více náročný. Při spojování dvou nebo více větších bloků v Cyclonu nastával problém, že tento proces, který běžně trval několik minut, neskončil ani po 37
40 minutách. To nastávalo pravděpodobně proto, že existovalo mnoho kombinací bodů, které program propočítával. Druhý možný důvod těchto problémů je nízký výkon počítače. Pro odstranění tohoto problému bylo při spojování takovýchto bloků využito funkce pro číslování identických bodů, která se nachází v Tools – Registration – Add/Edit Registration Label. Identickým bodům v jednotlivých blocích bylo přiřazeno shodné číslo, které při registraci bloků programu určovalo, které body má ztotožnit. Pro vytvoření nové registrace se v okně Cyclone - Navigator kliknutím označí databáze, ve které má být nová registrace vytvořena. Novou registraci vytvoříme v menu Create – Registration. Po vytvoření je třeba registraci otevřít a pomocí funkce ScanWorld – Add ScanWorld vybrat skeny, které budou v rámci dané registrace spojovány. První z načtených skenů je automaticky označen jako Home ScanWorld (domácí ScanWorld), ze kterého bude přejat souřadnicový systém pro výslednou registraci. Pomocí funkce Set Home ScanWorld je možné zvolit, který souřadnicový systém bude použit. Aktuálně zvolený Home ScanWorld je zvýrazněn tučným písmem. Před započetím samotné registrace bylo kontrolováno, jestli mračna nejsou označená jako horizontovaná. Většina moderních skenerů už je vybavena kompenzátorem a exportovaná data z těchto skenerů jsou již horizontovaná. Cyclone tedy automaticky všechna importovaná mračna označí jako horizontovaná. To způsobí, že v průběhu registrace jsou mračna transformována jen pomocí 2D transformace a nikoli 3D transformace. Pokud je mračno označeno jako horizontované, tak je za jeho názvem v závorce uvedeno „leveled“ (Obr. 5.13). Protože skener Surphaser 25HSX nemá kompenzátor a byl urovnáván pouze přibližně, skeny nejsou horizontované a potřebujeme označení „leveled“ zrušit. To se provede kliknutím pravým tlačítkem na označené skeny a vybráním položky Toggle ScanWorld Leveled. Nyní již bude program při transformaci pracovat se skeny jako s nehorizontovanými a bude je natáčet podle všech tří os.
38
Obr. 5.14 Vlevo skeny označené jako horizontované. Vpravo nehorizontované.
Pomocí funkce Auto-Add Constraints program automaticky vyhledá identické body a navrhne jejich vzájemné propojení. Jak již bylo zmíněno, toto dobře funguje pro malý počet skenů. Jak dobře proběhl tento proces je možné zkontrolovat v záložce Constraint List, kde jsou pro každou odpovídající si dvojici identických bodů vypsány souřadnicové odchylky a polohová odchylka. Chybné nebo nesprávně ztotožněné dvojice je možné ze seznamu a tím i z registrace odstranit. Pokud jsou některé identické body méně přesné než ostatní, je jim možné nastavit pro výpočet menší váhu. Váha se nastavuje v rozmezí od 0 do 1. Toto bylo využito v místech, kde do registrace vstupovaly jak středy koulí, tak body označené v mračnu. Body označené v mračnu jsou méně přesné a proto tyto body dostávaly váhu 0,5 a v případech kdy byly hůře identifikovatelné 0,3. To se týkalo části vstupního schodiště a zadní části horního patra za velkou místnostní. Vizuálně je možné provést kontrolu navrhovaného spojení v menu Registration – View Interim Result, která zobrazí náhled, jak budou spojené skeny vypadat po registraci. Je vhodné tuto kontrolu provést, protože se může stát, že identické body mají takové rozložení, že ačkoli vyhledané kombinace identických bodů mají velmi malé odchylky, tak spojení skenů je zcela špatné. Pokud je vše v pořádku, v záložce ModelSpaces je třeba označit všechny ControlSpace, které mají být registrovány. Registrace se provede funkcí Register. Dále se funkcí Create ScanWorld/Freeze Registration vytvoří ModelSpace obsahující všechny registrované skeny. V tomto novém
39
ModelSpace jsou původní skeny reprezentovány jednotlivými mračny (skeny nejsou spojeny do jednoho mračna). Odchylky na jednotlivých identických bodech a průměrná celková odchylka registrace je v protokolu o registraci v Registration – Show Diagnostics. Všechny protokoly jsou přiloženy ve formě textového souboru na DVD. Seznam průměrných odchylek jednotlivých registrací je uveden v tabulce 5.1. Jak je vidět z této tabulky, větší odchylky jsou u registrací Q, U a V, u kterých byly pro registraci použity identické body vyhledané v mračnu namísto středů koulí. Dále pak u registrace L došlo k posunu koule číslo 5 (Obr. 5.15) mezi jednotlivými měřeními, protože kameraman nám chtěl pomoct a odnést ji k dalšímu stanovisku. Tato koule dostala váhu 0,3. Odchylka registrace vzrostla, ale v tomto případě to neznamená chybu, ale skutečný posun koule.
registrace A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V
spojovaná mračna 1, 2, 3, 4, 5 6, 7, 8, A 9, 10, 12, B 13, C 14, 15, 16 17, 18, 19, E 26, 27, 28, 29 23, 30, G 31, 32, 33, 34 35, I F, H D, K 36, 37, J 38, M 41, 42, 43 39, L 44, 45, 46, O P, N 40, Q R, S 20, 21, 22 T, U
průměrná absolutní odchylka [m] 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 0,001 0,001 0,001 0,000 0,001 0,002 0,007 0,000 0,001 0,001 0,001 0,007 0,001 0,002 0,001 0,003 0,006
Tabulka 5.1 Přehled odchylek při registraci. 40
Obr. 5.15 Posun koule číslo 5
Popsaným postupem bylo spojeno do jednoho celku všech 43 skenů (Obr. 5. 16). Výsledná přesnost spojení celého mračna je odhadována do jednoho centimetru.
Obr. 5. 16 Spojení všech skenů 41
Na několika místech byla registrace kontrolována pomocí tenkých řezů vytvořených funkcí Limit Box. Na těchto řezech bylo kontrolováno, že mračna jsou spojená správě, tedy že mezi jednotlivými mračny nevzniká mezera (Obr. 5.17). Na všech místech, kde byla kontrola prováděna, na sebe mračna přiléhala správně.
Obr 5.17 Kontrolní řez spojeným mračnem
5.4.3
Druhá redukce dat a transformace
Po registraci všech skenů byly jednotlivé skeny stále reprezentovány oddělenými mračny. Výsledný ModelSpace tedy obsahoval 43 mračen bodů. Pro další práci je třeba, aby model tvořilo co nejmenší množství mračen, která mezi sebou budou mít jasné hranice a nebudou se prolínat. Všechna mračna je tedy třeba spojit a poté znova rozdělit. Spojení mračen se provede po označení spojovaných mračen funkcí Create Object – Merge. Následné rozdělení se provede pomocí Create Object – Explode. Celek byl rozdělen na 11 nových mračen (Obr. 5.18). Velikost těchto mračen je shora omezena limity pro velikost importovaných a exportovaných souborů v programech Cyclone a Geomagic Studio.
42
Obr. 5.18 Schéma mračna rozděleného na 11 částí
Části mračna byly exportovány z programu Cyclone ve formátu .txt. V tomto formátu je možné mračna načíst do programu Geomagic a provést další operace. Po načtení do Geomagicu byla mračna opět redukována na vzdálenost bodů 8 mm, protože spojením skenů z různých stanovisek tato hustota opět stoupla. Počty bodů v jednotlivých mračnech před redukcí a po redukci jsou uvedeny v tabulce 5.2.
43
číslo mračna 1 2 3 4 5 10 12 14 30 31 33 celkem
počet bodů [v tisících] před redukcí po redukci 4971 724 6102 679 4751 638 3002 850 3861 517 26857 537 26911 722 9936 555 3129 438 3861 788 8154 445 101536 6893
Tabulka 5.2 Počty bodů v mračnu před a po druhé redukci
5.5
Tvorba účelové důlní mapy
5.5.1
Důlní vyhláška
Pravidla pro mapování důlních děl jsou sepsány ve vyhlášce č. 435/1992 Sb. v úplném znění [17]. A dále jsou upřesněny v doplňující vyhlášce č. 158/1997 Sb. a vyhlášce č. 298/2005 Sb. Vyhláška vymezuje rozsah platnosti, kdy se jedná o důlní dílo a případy kdy se o důlní dílo nejedná. Obecná pravidla společná pro důlní díla jsou následující.: Důlní mapa se vyhotovuje v závazném souřadnicovém systému SJTSK. Výšková poloha se určuje v systému Bpv. Mapa obsahuje polohopis, výškopis a popis. Bodové pole v podzemní části musí být připojeno k bodovému poli na povrchu. Polohopis vznikne jako svislý průmět obvodu stěn do mapy v určité rovině řezu. Rovina řezů se volí podle požadavku na výslednou mapu. V některých případech je to pata stěn, nejužší anebo naopak nejširší místo.
44
Obsah polohopisu: • vyznačení vstupů do podzemních prostor • větrací šachty, komíny • průzkumné vrty, štoly • schodiště • přepážky • elektrická vedení, vedení potrubí, vzduchotechnika, datové linky • kolejové dráhy, vlečka • zdroj vody, prameny, studny Vyžadují-li to okolnosti, uvede se druh materiálu a případně jeho změna, přechod na jiný druh horniny. Obsah výškopisu: • čáry zatopení • výškové údaje příčných řezů, výšky bodového pole • relativní výška stropu, výška spodní vody Volba měřítka je závislá na rozsahu zobrazovaného objektu, obvykle však platí pro účelovou důlní mapu měřítkové řady 1 : 500, 1 : 1000 a 1 : 2000. Pro odvozené důlní mapy, profily, řezy a detaily se volí měřítka 1 : 10, 1 : 20, 1 : 50, 1 : 100 a 1 : 200. Klad listů účelové důlní mapy navazuje na dělení evidenční jednotky triangulačního listu.
5.5.2
Transformace spojeného mračna do S-JTSK a Bpv
Pro tvorbu mapy bylo spojené a podruhé redukované mračno bodů transformováno shodnostní transformací ve 3D do Křovákova systému. Shodnostní transformace byla zvolena, protože bylo rozhodnuto, že pro další využití je vhodnější nechat model ve skutečných rozměrech a do souřadnicového systému S-JTSK a výškového systému Bpv byl jen „posazen“. To znamená, že model má souřadnice S-JTSK, ale není opraven o zkreslení ze zobrazení ani o korekci z nadmořské výšky. 45
Aby bylo možné rozhodnout, jestli toto zjednodušení výrazně neovlivní přesnost, byly v programu Groma 7 vypočteny oba tyto opravné koeficienty a jejich celkový vliv. Pro danou lokalitu má oprava z Křovákova zobrazení hodnotu 0,9999028 a oprava z nadmořské výšky hodnotu 0,9999188. celková oprava by tedy byla 0,999821 což je 17,8 cm/km. Vzhledem k tomu, že model má rozměry zhruba 55 x 40 metrů, vliv opravy je při požadované přesnosti zanedbatelný. Z výše uvedených důvodů byla použita shodnostní transformace ve 3D.
Použité identické body v souřadnicovém systému S-JTSK a výškovém Bpv byly převzaty ze zaměření a výpočtu provedeném v rámci bakalářské práce Lukáše Vosyky. Protože
v dalších
výpočtech
by
mohla
velká
čísla
používaná
v Křovákových souřadnicích způsobovat problémy (zejména v programu Geomagic Studio), souřadnice S-JTSK (XSJTSK,YSJTSK) byly redukovány a souřadnicové osy zaměněny na Xreduk ,Yreduk následujícím způsobem. Xreduk = - (YSJTSK -699 000) Yreduk = - ( XSJTSK – 1 130 000) Takto upravené souřadnice byly použity pro další výpočet.
Celkem bylo zaměřeno 33 identických bodů. V mračnu se podařilo dobře identifikovat 19 identických bodů, které byly použity pro transformaci. Jejich rozmístění
je vidět na přehledce v Příloze 5 a detaily umístění
jednotlivých bodů v Příloze 6. Výpočet transformačního klíče byl proveden v programu Alltran [15]. Program Alltran je konzolový program vytvořený na fakultě Fsv, Katedra speciální
geodézie.
Program
počítá
vyrovnaný
transformační
klíč
z nadbytečného počtu měření metodou nejmenších čtverců [16]. Vstupem tohoto programu je textový soubor, který obsahuje všechny parametry transformace. Soubor se jmenuje input.txt a musí se nacházet ve stejné složce jako program Alltran. 46
Do
vstupního
identity_3d,
textového
souřadnice
souboru
bodů
byl
zadán
v redukovaném
typ
systému
transformace S-JTSK
jako
„global_points“ a modelové souřadnice jako „local_points“. Při zápisu identických bodů je nutné dbát na to aby pořadí global_points i local_points bylo shodné a všechna čísla si odpovídala. Soubor input.txt je v Příloze 3. Výstupem programu je textový soubor nazvaný key_report, který obsahuje transformační klíč (tři posuny, tři měřítkové koeficienty, 9 prvků matice rotace), jednotkovou chybu, korelační matici a souřadnicové rozdíly na všech identických bodech. Soubor je v Příloze 4. Na základě souřadnicových rozdílů byly vyloučeny chybné body a výpočet klíče proveden znova. Výsledná aposteriorní jednotková chyba transformace je 0,024 metru. Aposteriorní souřadnicová chyba je 0,014 metru. Opravy na jednotlivých identických bodech jsou uvedeny v tabulce 5.4. Z tabulky je vidět, že největší jsou opravy ve směru osy Z.
Výsledný transformační klíč ve formátu pro Geomagic je v tabulce 5.3.
matice rotace 0
0
0,24702 -0,96885 -0,01737 0
0
0,96694 0,24762 -0,06098 0
posun ve směru X posun ve směru Y posun ve směru Z měřítko
0,06339 -0,00173 0,99799 0
-94,55774 -1,14088 519,34950 1
Tabulka 5.3 Transformační klíč
47
číslo bodu 426 428 436 437 439 444 445 446 447 448 450 451 452 453 455 456 458 459 460
oprava X 0,007 -0,028 -0,002 0,003 0,010 0,031 0,023 0,016 -0,008 0,027 -0,012 -0,006 -0,014 -0,010 0,002 -0,014 -0,018 0,001 -0,006
oprava Y 0,003 -0,005 0,008 -0,002 -0,004 0,014 0,006 0,003 0,000 0,007 -0,002 0,001 0,000 -0,001 -0,011 0,005 -0,003 -0,005 -0,014
oprava Z 0,018 0,016 -0,025 -0,030 -0,014 -0,006 -0,001 0,002 0,006 -0,015 -0,005 -0,015 -0,008 -0,004 0,019 0,020 0,015 0,016 0,013
Tabulka 5.4 Souřadnicové opravy na identických bodech
Vypočtený transformační klíč byl z textového souboru načten do programu Geomagic a všech 11 mračen bylo transformováno. Pro tyto procesy bylo opět vytvořeno makro a zpracování proběhlo pomocí funkce Batch Processing (viz. kapitola 5.2 Redukce dat). Transformovaná mračna byla exportována do formátu .vtx a opět načtena do Cyclonu, který je vhodnější pro kresbu důlní mapy.
5.5.3
Kresba obrysů mapy
Prvotní kresba důlní mapy byla vytvořena v programu Cyclone. Podkladem pro kresbu bylo spojené mračno bodů, které bylo v předchozím kroku redukováno na 8 mm a transformováno do redukovaného systému SJTSK.
48
Nejdříve byla definována rovina, do které bude mapa kreslena. K tomu slouží funkce Tools – Reference Plane – Add/Edit Reference Planes kde se zapne vodorovná referenční rovina a je možné nastavit barvu. Pro kresbu byl použit nástroj Tools – Drawing – Draw Polyline. Kresba byla tvořena po jednotlivých úsecích. Úseky byly voleny tak, aby podlaha na daném úseku byla zhruba ve stejné výši a tedy i vodorovný řez, podle kterého byla kresba tvořena, byl přibližně metr nad podlahou. Pro vytvoření vodorovného řezu byla použita funkce Tools – Cutplane – Set Slice from picks – On Z axis. Pro tuto funkci je třeba vybrat v mračnu dva body pomocí funkce Multi-Pick Mode. Tyto dva body definují výšku a tloušťku vodorovné vrstvy, která je zobrazena. Tloušťku i výšku roviny je možné později měnit v menu Tools – Cutplane pomocí nastavení Set Slice Thickness a Rise/Lower Active Cutplane. Takto zobrazené obrysy chodeb je možné po přepnutí se do 2D Drawing mode obkreslit. Pro kreslení schodiště nebylo možné použít vodorovný řez a proto byl použit nástroj Limit Box, který bylo třeba natočit tak, aby měl stejný sklon jako schodiště. Kromě obrysů chodeb byla vykreslena i elektroinstalace, a to jak elektrické vedení, tak umístění osvětlení (Obr. 5.19).
Obr. 5.19 Kresba půdorysu a elektroinstalace 49
Výsledná kresba byla exportována do formátu .dxf, který je možné otevřít v programu CAD, odkud byl dále exportován do formátu .dgn, což je formát používaný programem MicroStation. Kresba byla dokončena v programu MicroStation. Do mapy byl doplněn příslušný obsah, který je dán báňským úřadem. Jednalo se zejména o doplnění schodišť, vyznačení stabilizovaných bodů polohového důlního pole, závalů, studen, komínů, polohy řezů a nadmořské výšky spodní vody. Byly použity mapové značky dané důlní vyhláškou [17]. Vybrané mapové značky byly uvedeny do legendy. Výsledná mapa byla zasazena do mapového rámu. Ten vychází z kladů listů map ZMVM (základní mapa velkých měřítek). Měřítko mapy je 1:200. Mapový list byl doplněn o mimorámové údaje (náčrt kladu listů, souřadnicový systém, výškový systém, hlavička, vysvětlivky…). Výsledná mapa je vytištěna na formátu A1 a přiložena. V digitální podobě je ve formátu .dgn na přiloženém DVD.
50
6
Závěr Výsledkem bakalářské práce je 3D model v podobě mračna bodů ve
formátu .txt. Model vznikl spojením 43 skenů. Množství bodů bylo redukováno na vzdálenost 8 mm s maximální prioritou zachování křivosti a celkem obsahuje zhruba 6,9 mil bodů. Model je transformován do redukovaného souřadnicového systému S-JTSK a výškového systému Bpv. Byla použita shodnostní transformace s výslednou směrodatnou odchylkou transformace 2,4 cm. Model tedy není opraven o výškovou redukci ani o redukci ze zobrazení a díky shodnostní transformaci si ponechal skutečnou velikost. Míry získané z modelu není třeba přepočítávat a jsou přímo ve skutečné velikosti. Pro získání souřadnic S-JTSK z modelu je třeba redukované souřadnice vynásobit mínus jednou a přičíst posuny (YS-JTSK = Xreduk + 699 000; XS-JTSK = - Yreduk + 1 130 000). Druhým výstupem je účelová důlní mapa, která byla vykreslena z 3D modelu v souladu s důlní vyhláškou [17]. Mapa je v měřítku 1 : 200 a je zasazena v kladu map ZMVM (Základní mapy velkých měřítek). V závěru práce byla vytvořená důlní mapa spojena s důlní mapou navazující části podzemí vytvořenou Lukášem Vosykou v rámci jeho bakalářské práce. Tato spojená důlní mapa je dokumentací části podzemí přístupné pro veřejnost spolu s částí, která by v budoucnu měla být zpřístupněna. Mapa bude sloužit jako dokumentace přístupné části Jihlavského podzemí a jako podklady pro zpřístupnění další dosud veřejnosti nepřístupné části. Celková plocha měřené části podzemí je 544 m2. Z toho veřejnosti přístupná část má 348 m2 a veřejnosti nepřístupná část 196 m2. Mapa je k dispozici v tištěné podobě a v digitální podobě ve formátu .dgn. Dále je digitálně k dispozici redukované mračno bodů ve formátu .txt. Tato data jsou přiložena na DVD. Měřená data jsou příliš objemná pro nahrání na DVD, takže jsou k dispozici pouze na počítači na Fsv v místnosti B905.
51
Tento způsob dokumentace podzemí se ukázal díky své rychlosti a kvalitě výstupů jako poměrně efektivní a lze očekávat, že v příštích letech budou podobným postupem zdokumentovány i další části jihlavského podzemí, případně podzemí v jiných městech.
52
Literatura [1] TOUŠLOVÁ, Iveta; MARŠÁL, Josef; PODHORSKÝ, Marek. Toulavá kamera. 1. vyd. Praha : Freytag & Berndt : Česká televize, 2005. 229 s. ISBN 80-7316-228-8. Jihlavské podzemí, s. 190–193. [2]
Jihlavské
podzemí
[online].
http://tic.jihlava.cz/,
[cit.
2013-08-05].
Dostupné online. [3] SLÁMA, Jaroslav. O jihlavském podzemí. 1. vyd. Jihlava : Jihlavský netopýr, 1992. 10 s. s. 5. [4] JAROŠ, Zdeněk. Gotická Jihlava – Historický kalendář gotické Jihlavy. 1. vyd. Jihlava : Parola, 1993. 81 s. Kapitola Jihlavské dolování, s. 8. [5] HROMAS, Jaroslav. Podzemí v Čechách, na Moravě, ve Slezsku. 1. vyd. Praha : Olympia, 2002. 269 s. ISBN 80-7033-519-X. Kapitola Jihlavské katakomby, s. 218–222. [6] Jihlavské podzemí = Unterirdisches Ganglabyrinth in Jihlava = Jihlava’s underground, kapitola Jihlavské podzemí, s. 3 [7] ZIMOLA, David. Jihlavské podzemní chodby. 1. vyd. Jihlava : Jihlavský netopýr, 1999. 24 s. ISBN 80-238-4874-7. [8] GEORGII AGRICOLA. Jihlavské podzemí [online]. 1999 [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://www.agricola.cz/ [9] Redefining the engineering process. Absolute Geometries [online]. 2009 [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://www.absolutegeometries.com/3DScanning.html [10] ŠTRONER, Martin a Jiří POSPÍŠIL. Terestrické skenovací systémy. Vyd. 1. Praha: ČVUT, 2008. 185 s. ISBN 978-80-01-04141-3. [11] POSPÍŠIL, J. – ŠTRONER, M.:Moderní geodetické technologie a přístroje pro saserové skenování. In: Stavební obzor. 2005, 14, č. 8, s. 249-253. ISSN 1210-4027.
53
[12] Surphaser: 25 HSX. SURPHASER. Surphaser: 3D Laser Scanners [online]. 2012 [cit. 2013-04-18]. Dostupné z: http://www.surphaser.com/PDFs/Brochure.pdf [13] Trimble: Trimble FX Controller User Guide. Trimble: docushare [online]. 24. 6. 2008 [cit. 2013-04-19]. Dostupné z: http://trl.trimble.com/docushare/dsweb/Get/Document513470/Trimble%20FX%20Controller%20User%20Guide.pdf, s. 114 [14] MORONG, Martin. Vytvoření prostorového modelu Koněpruské jeskyně. Praha, 2012. Dostupné z: http://gama.fsv.cvut.cz/~cepek/proj/dp/2013/martin-morong-dp-2013.pdf. Diplomová. ČVUT. [15] Alltran. ČVUT v Praze: Fsv, Katedra speciální geodézie [online]. Praha, 2009 [cit. 2013-04-19]. Dostupné z: http://k154.fsv.cvut.cz/~koska/projekty/alltran/alltran.php [16] Alltran: Dokumentace knihovny Alltran. ČVUT v Praze: Fsv, Katedra speciální geodézie [online]. Praha, 2009 [cit. 2013-04-19]. Dostupné z: http://k154.fsv.cvut.cz/~koska/projekty/alltran/alltran_dokumentace_1_01 .pdf [17] Filipec, Vladislav. Báňské předpisy = Úplné komentované znění. 12, Vyhláška č. 435/1992 Sb. Českého báňského úřadu o důlně měřické dokumentaci při hornické činnosti a některých činnostech prováděných hornickým způsobem ve znění vyhlášky Českého báňského úřadu č. 158/1997 Sb., kterou se mění a doplňuje vyhláška Českého báňského úřadu č. 435/1992 Sb., o důlně měřické dokumentaci při hornické činnosti a některých činnostech prováděných hornickým způsobem. Ostrava: Montanex 1997. 173 s. ISBN 80-85780-88-7 [18] Štroner M. & Pospíšil J. Systematic Geometrical Errors of Scanning Spherical Surfaces. Survey Review, Great Britain, 43, 323, pp 731-742, 2011.
54
Seznam obrázků Obr. 2.1 Výdřeva pro nalití betonu při sanaci....................................... 13 Obr. 2.2 Základy kostela sv. Ignáce z Loyoly ...................................... 14 Obr. 4.1 Surphaser 25HSX.................................................................. 19 Obr. 4.2 Záložka Scan v programu Surph Express Standard .............. 21 Obr 4.3 Náčrt stanovisek skeneru ....................................................... 23 Obr. 5.1 Filtering – Surph Expres Standard......................................... 26 Obr. 5.2 Processing Modes – Surph Expres Standard ........................ 27 Obr. 5.3 Použité nastavení masky....................................................... 29 Obr. 5.4 Vlevo - exportovaná data s použitím masky – barevně jsou odlišena filtrovaná data, která nebudou exportována. Vpravo – bez použití masky........................................................................................................... 29 Obr. 5.5 Nastavení funkce Uniform Hample ....................................... 31 Obr. 5.6 Nastavení parametrů funkce Batch Processing..................... 32 Obr. 5.7 Před a po vyčištění mračna ................................................... 33 Obr. 5.8 Kroužek bodů vzniklý kolem každého stanoviště................... 33 Obr. 5.9 Nastavení poloměru koule. .................................................... 35 Obr. 5.10 Vlevo označení bodu na kouli. Vpravo body vybrané funkcí Region Grow. ............................................................................................... 35 Obr. 5.11 Dialogové okno funkce Region Grow................................... 36 Obr. 5.12 Vlevo naskenovaná koule před vymodelováním. Vpravo vymodelovaná koule .................................................................................... 36 Obr. 5.13 Struktura složky skenu – ModelSpace a ControlSpace ....... 37 Obr.
5.14
Vlevo
skeny označené
jako
horizontované.
Vpravo
nehorizontované. ......................................................................................... 39 Obr. 5.15 Posun koule číslo 5.............................................................. 41 Obr. 5. 16 Spojení všech skenů........................................................... 41 Obr 5.17 Kontrolní řez spojeným mračnem ......................................... 42 Obr. 5.18 Schéma mračna rozděleného na 11 částí ........................... 43 Obr. 5.19 Kresba půdorysu a elektroinstalace..................................... 49
55
Seznam tabulek Tabulka 5.1 Přehled odchylek při registraci. ................................................ 40 Tabulka 5.2 Počty bodů v mračnu před a po druhé redukci......................... 44 Tabulka 5.3 Transformační klíč.................................................................... 47 Tabulka 5.4 Souřadnicové opravy na identických bodech ........................... 48
Seznam příloh Příloha 1 – Souřadnice identických bodů v S-JTSK před redukcí ................ 57 Příloha 2 – odečtené modelové souřadnice ................................................. 58 Příloha 3 – vstup pro program Alltran (input.txt)........................................... 59 Příloha 4 – výpočetní protokol programu Alltran (key_report.txt) ................. 60 Příloha 5 – přehledka identických bodů ....................................................... 62 Příloha 7 – Pohled shora na zaměřovaný labyrint........................................ 67 Příloha 8 – Obecný pohled na zaměřovaný labyrint (obarvení intenzitou) ... 68 Příloha 10 – Pohled na staré schodiště ....................................................... 70 Příloha 11 – Účelová důlní mapa 1 : 200, vytištěná na formátu A1 Příloha 12 – DVD • ctime.txt – informace o obsahu DVD • redukce1.rar – všechna naskenovaná data redukovaná na 8 mm • vysledna_mracna – složka s 11 výslednými mračny bodů v S-JTSK • jihlava8mm.imp – výsledná databáze z Cyclonu • protokol_registrace.txt – protokoly ze všech registrací • UDM.dgn – účelová důlní mapa
56
Příloha 1 – Souřadnice identických bodů v S-JTSK před redukcí
Bod
Y [m]
X [m]
H [m]
426
699106.000
1130028.539
516.343
428
699106.162
1130028.392
516.388
436
699090.155
1130011.667
515.394
437
699093.720
1130011.768
515.521
439
699091.593
1130009.583
515.507
444
699070.698
1130000.584
511.686
445
699070.431
1130000.610
511.825
446
699070.830
1130001.228
512.091
447
699068.923
1129996.969
510.834
448
699070.122
1129995.770
511.100
450
699098.985
1130003.221
518.466
451
699100.067
1130003.386
518.582
452
699100.176
1130002.249
518.610
453
699099.168
1130002.071
518.471
455
699093.201
1129998.495
518.200
456
699092.984
1129999.134
518.159
458
699090.556
1130002.087
518.162
459
699092.674
1130002.398
518.146
460
699092.600
1130002.889
518.160
57
Příloha 2 – odečtené modelové souřadnice
Bod
Y [m]
X [m]
H [m]
426
-17.659
23.769
-3.660
428
-17.817
23.585
-3.630
436
1.893
11.347
-3.675
437
-1.584
10.573
-3.779
439
1.020
8.985
-3.646
444
23.710
5.482
-6.141
445
23.943
5.576
-5.981
446
23.380
6.073
-5.737
447
26.331
2.436
-6.875
448
25.490
0.976
-6.707
450
-4.754
0.936
-1.165
451
-5.841
0.825
-1.127
452
-5.675
-0.305
-1.101
453
-4.644
-0.224
-1.172
455
2.035
-2.198
-1.047
456
2.078
-1.544
-1.073
458
3.688
1.924
-0.916
459
1.582
1.709
-1.063
460
1.523
2.210
-1.047
58
Příloha 3 – vstup pro program Alltran (input.txt) identity_3d no_points constants global_points 426 -106.000 428 -106.162 436 -90.155 437 -93.720 439 -91.593 444 -70.698 445 -70.431 446 -70.830 447 -68.923 448 -70.122 450 -98.985 451 -100.067 452 -100.176 453 -99.168 455 -93.201 456 -92.984 458 -90.556 459 -92.674 460 -92.600
-28.539 -28.392 -11.667 -11.768 -9.583 -0.584 -0.610 -1.228 3.031 4.230 -3.221 -3.386 -2.249 -2.071 1.505 0.866 -2.087 -2.398 -2.889
516.343 516.388 515.394 515.521 515.507 511.686 511.825 512.091 510.834 511.100 518.466 518.582 518.610 518.471 518.200 518.159 518.162 518.146 518.160
local_points 426 428 436 437 439 444 445 446 447 448 450 451 452 453 455 456 458 459 460
-17.659 -17.817 1.893 -1.584 1.020 23.710 23.943 23.380 26.331 25.490 -4.754 -5.841 -5.675 -4.644 2.035 2.078 3.688 1.582 1.523
-3.660 -3.630 -3.675 -3.779 -3.646 -6.141 -5.981 -5.737 -6.875 -6.707 -1.165 -1.127 -1.101 -1.172 -1.047 -1.073 -0.916 -1.063 -1.047
23.769 23.585 11.347 10.573 8.985 5.482 5.576 6.073 2.436 0.976 0.936 0.825 -0.305 -0.224 -2.198 -1.544 1.924 1.709 2.210
59
Příloha 4 – výpočetní protokol programu Alltran (key_report.txt) identity_3d The equation of identity_3d is X = X0 + M * R * x Computed parameters are (in order X0(1,dim), M(1,dim), R(dim,dim)) (Numbers smaller than 1e-50 will be displayed as "0") -94.55773788 -1.140880698 519.3495039 1 1 0.9999999998 0.2470193423 0.9669351849 0.06338606151 -0.9688548718 0.247623188 -0.001730347032 -0.01736899212 -0.06098446532 0.9979875816 Number of identical points is: 19 Standard deviation a posteriori is (sqrt([vv]/number_of_redundant_points)): 0.02386209455 Standard deviation a posteriori in coordinates is (sqrt([vv]/number_of_redundant_coordinates)): 0.01377678671 Number of iterations is: 6 Used solution algorithm: Gauss-Jordan elimination The sum of normal equations absolute residuals: 4.89375868e-014 The condition number is: 26688348 Maximal correlation is: 0.9998974918 between parameters: 10 11 Correlation matrix: 1.0000 -0.0025 0.2223 0.0000 0.0000 0.0000 -0.3154 0.1878 0.3448 0.2831 -0.2860 -0.2483 -0.2728 -0.3062 -0.3466 -0.0025 1.0000 -0.1979 0.0000 0.0000 0.0000 -0.1968 0.2648 -0.1810 0.2541 -0.2488 0.3177 0.3232 0.0769 0.1889 0.2223 -0.1979 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 -0.1845 -0.0355 0.5921 0.0894 -0.0980 -0.6108 -0.6458 -0.4432 -0.6020 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 -0.3154 -0.1968 -0.1845 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 -0.9308 -0.1936 0.9886 0.9907 0.3114 0.2847 0.1123 0.2009 60
0.1878 0.2648 -0.0355 0.0000 0.0000 0.0000 -0.9308 1.0000 -0.1783 0.9565 -0.9556 -0.1004 -0.0338 0.2376 0.1708 0.3448 -0.1810 0.5921 0.0000 0.0000 0.0000 -0.1936 -0.1783 1.0000 0.0940 -0.1020 -0.5692 -0.6758 -0.9402 -0.9995 -0.2831 -0.2541 -0.0894 0.0000 0.0000 0.0000 0.9886 -0.9565 -0.0940 1.0000 0.9999 0.1665 0.1374 0.0557 0.0982 -0.2860 -0.2488 -0.0980 0.0000 0.0000 0.0000 0.9907 -0.9556 -0.1020 0.9999 1.0000 0.1806 0.1514 0.0593 0.1065 -0.2483 0.3177 -0.6108 0.0000 0.0000 0.0000 0.3114 -0.1004 -0.5692 0.1665 0.1806 1.0000 0.9903 0.2553 0.5940 -0.2728 0.3232 -0.6458 0.0000 0.0000 0.0000 0.2847 -0.0338 -0.6758 0.1374 0.1514 0.9903 1.0000 0.3843 0.6980 -0.3062 0.0769 -0.4432 0.0000 0.0000 0.0000 0.1123 0.2376 -0.9402 0.0557 0.0593 0.2553 0.3843 1.0000 0.9294 -0.3466 0.1889 -0.6020 0.0000 0.0000 0.0000 0.2009 0.1708 -0.9995 0.0982 0.1065 0.5940 0.6980 0.9294 1.0000
Residuals: 426 0.00656 0.00296 0.01795 428 -0.02776 -0.00494 0.01572 436 -0.00234 0.00763 -0.02463 437 0.00284 -0.00228 -0.02993 439 0.00990 -0.00416 -0.01442 444 0.03120 0.01363 -0.00630 445 0.02286 0.00598 -0.00146 446 0.01571 0.00262 0.00175 447 -0.00841 0.00005 0.00625 448 0.02740 0.00704 -0.01544 450 -0.01218 -0.00191 -0.00549 451 -0.00625 0.00140 -0.01535 452 -0.01422 0.00026 -0.00790 453 -0.00981 -0.00079 -0.00403 455 0.00166 -0.01061 0.01868 456 -0.01386 0.00545 0.01976 458 -0.01848 -0.00314 0.01502 459 0.00073 -0.00507 0.01648 460 -0.00555 -0.01411 0.01335
61
Příloha 5 – přehledka identických bodů
62
Příloha 6 – detaily identických bodů
63
64
65
66
Příloha 7 – Pohled shora na zaměřovaný labyrint
67
Příloha 8 – Obecný pohled na zaměřovaný labyrint (obarvení intenzitou)
68
Příloha 9 – Obecný pohled na zaměřovaný labyrint (obarvení nadmořskou výškou)
69
Příloha 10 – Pohled na staré schodiště
70
