Možnosti využití technologie laserového skenování k dokumentaci stavebních památek Ing. Bronislav Koska Ing. Tomáš Křemen, Ph.D. prof. Ing. Jiří Pospíšil, CSc. Katedra speciální geodézie Fakulta stavební ČVUT v Praze 1. Anotace V příspěvku jsou nejprve stručně popsány dostupné technologie k dokumentaci stavebních památek, dále jsou podrobně popsány možné přístupy ke zpracování dat naměřených laserovými skenery a jejich vlastnosti a poslední část tvoří prezentace zajímavých projektů uskutečněných buď na pracovišti autorů, nebo u spřátelených firem. 2. Úvod Technologie terestrického laserového skenování si v krátkém čase své existence našla celou řadu aplikací v různých oborech. Některé z těchto aplikací se objevily pouze na krátkou dobu v podobě experimentálních studií a některé se naopak staly komerčně úspěšné a jsou dnes běžnou pracovní náplní společností praktikujících laserové skenování. Dokumentace architektonických památek patří mezi ty úspěšnější, které se objevily již s nástupem této technologie a udržely se dodnes. 3. Ostatní technologie Kromě laserového skenování jsou nejpoužívanější metody fotogrammetrické a metody využívající totálních stanic. 3.1. Fotogrammetrie V současné době je praktikována téměř výhradně fotogrammetrie digitální. Při použití této technologie je možné použít různé přístupy. Nejjednodušší a nejstarší je metoda jednosnímková. Metoda umožňuje zaměřit jednotlivé a nepříliš hloubkově členité fasády (vzdálenost od základní roviny způsobuje odchylku viz [9]). Při této metodě je nutné mít na fasádě nejméně čtyři vlícovací body. Po výpočtu parametrů tzv. kolineární transformace je možné buď na snímku odečítat skutečné souřadnice v základní rovině nebo vytvořit tzv. fotoplán (ortogonální zobrazení fasády v definovaném měřítku). Příklad fotoplánu je uveden níže:
1
Obr. 1 – Fotoplán části parkánové zdi hradu Kost (více viz kap. 5.1.1) Druhým přístupem je tzv. průseková fotogrammetrie. Pro tuto metodu je zavedeno několik komerčních řešení (PhotoModeler, ImageModeler, ...). Základní kroky metody jsou nasnímkování zájmového objektu s výraznými překryty jednotlivých fotografií a manuální označení všech zájmových bodů na nejméně dvou snímcích. Základním výsledkem je množina 3D bodů.
Obr. 2 – Vyhodnocování Arcibiskupského semináře v Praze ve PhotoModeleru viz [5] Na akademické půdě je velmi populární srovnávání průsekové fotogrammetrie s laserovým skenováním. Je srovnávána rychlost sběru dat a zpracování, přesnost a podrobnost výsledků a nákladnost použitého zařízení viz například [2], [4], [5] a [7]. Srovnání tohoto typu je ale specifické pro každý příklad. Velmi taky záleží na použitém skenovacím systému, 2
protože jejich kvalita je značně různorodá viz např. [8]. Obecně je možné říci, že přesnost i doba zpracování u obou srovnávaných metod je řádově stejná. To platí ale pouze pro fasády, nebo jejich části, které obsahují jenom jednoduché plochy (nejčastěji roviny). Celkově je v takovém případě výhodnější fotogrammetrie, protože čas sběru dat je kratší a zejména náklady na přístrojové a softwarové vybavení jsou až o dva řády nižší. Metoda laserového skenování je ale univerzálnější, protože je ji možné použít i pro složitější plochy na fasádě (reliéfy a sochy). Výhoda univerzálnosti laserového skenování může být ohrožena novým fotogrammetrickým přístupem (nový v oblasti pozemní fotogrammetrie) založeným na obrazové korelaci. Autoři příspěvku mají k dispozici software PhotoModeler Scanner (na trhu od 2008), který je funkčním rozšířením zavedeného softwaru pro průsekovou fotogrammetrii. V současné době probíhá jeho testování a srovnání s laserovým skenováním. Akademickým řešením této metody je například Optický korelační skener viz [10]. 3.2. Totální stanice K zaměření jednodušších fasád je možné použít totální stanici. Při této technologii je nutné manuálně zacílit na všechny důležité charakteristické body. Existují dvě základní metody sběru dat. Jedná se o prostorové protínání vpřed z úhlů a o metodu využívající bezhranolového dálkoměru. První metoda je dvakrát náročnější na čas měření, protože je nutné každý bod zaměřit ze dvou stanovisek. Na druhou stranu se jedná o nejpřesnější metodu ze všech uvedených a při dobré identifikaci bodů je možné dosahovat přesnosti jednotek milimetrů. Další výhodou této metody je možnost použití levnějších přístrojů, které nejsou vybaveny technologií bezhranolového dálkoměru nebo dálkoměru vůbec. Z důvodu přesnosti bývá tato metoda používána jako referenční k posouzení ostatních viz [7]. Druhou metodou je prostorová polární metoda s bezhranolovým měřením délek. Její nevýhodou je obtížné definování její přesnosti. Na rozdíl od klasického dálkoměru je měřená délka ovlivněna nenulovou šířkou laserového svazku a jeho nekoaxiálností se záměrnou osou přístroje. Otázkou je taky vyhodnocení délky firmwarem přístroje v případě, že část svazku dopadne na jednu a část svazku na druhou několik centimetrů vzdálenou plochu. Uvedené informace nejsou standardně výrobci přístrojů uváděny a garantovány a v takovém případě je možné použít tuto metodu pouze jako orientační. 4. Technologie laserového skenování Metoda laserového skenování je v současné době již zavedena a není nutné ji podrobně popisovat. Velmi stručně je ji možné popsat jako hromadnou neselektivní metodu sběru prostorových dat založenou na prostorové polární metodě s použitím bezhranolového dálkoměru. Produktem laserového skenování je množina bodů tzv. mračno bodů, kdy jednotlivým bodům mohou být přiřazeny RGB souřadnice. V případě dokumentace architektonických památek existuje několik možností práce s naměřeným mračnem bodů. Ve všech případech je nutné nejprve provést tzv. "registraci", to jest transformaci mračen bodů ze všech stanovisek do jednoho souřadnicového systému (například S-JTSK). 4.1. Dokumentace ve formě mračna bodů Výstup ve formě mračna bodů je v praxi stále častější. Důvodem tohoto trendu je minimální čas zpracování. Výše zmíněná registrace je otázkou desítek minut. Jediné další případné zpracování je umazání objektů, které nejsou předmětem zájmu, i když v případě architektonických památek bývá tento krok minimální. Dostatečně husté mračno bodů může mít dostačující vypovídající hodnotu viz obrázek níže. 3
Obr. 3 – Mračno bodů s průměrným rozestupem dva milimetry
Obr. 4 – Obarvené mračno bodů Staroměstské radnice (zde ve stupních šedi, více viz kap. 5.3.1) Pokud je finálním výstupem pro zákazníka mračno bodů, je nutné mu je zpřístupnit. Pro zpřístupnění existují dva základní přístupy. Prvním jsou samostatné aplikace jako například Cyclone, RiSCAN, 3Dipsos a další. Nevýhodou samostatných aplikací je většinou vysoká cena v řádech stovek tisíc korun a velká složitost jejich obsluhy. Proto začali vznikat nástroje pro práci s mračny bodů ve standardních CAD aplikacích. Samostatné CAD aplikace dokáží zobrazit maximálně desítky tisíc bodů. Pokud se použije příslušný software, je možné zobrazovat stejné množství bodů jako ve speciálních samostatných aplikacích a navíc jsou k dispozici všechny nástroje použité CAD aplikace. Nejznámější jsou softwary CloudWorx a Pointools Model. Oba dva jsou odvozeny od samostatných aplikací, v prvním případě Cyclone a v druhém Pointools View Pro a Edit. Cena těchto nadstaveb je řádově nižší než u samostatných aplikací. Cena CloudWorx Basic v roce 2008 byla 23 700 Kč bez DPH a cena Pointools Model je aktuálně přibližně 1 000 EUR. Nadstavby pod CAD aplikace jsou většinou omezené v editacích a umožňují hlavně různé zobrazení. Proto jsou většinou první úpravy (odstranění nezájmových bodů, segmentace) provedeny dodavatelem v plných samostatných softwarech. Problémem přímé práce s mračnem bodů je, že v případě velkého přiblížení nějakého detailu dochází ke ztrátě prostorového vjemu. Tento efekt je demonstrován na detailu vyznačeném v obr. 3 a zobrazeném níže. Mírné vylepšení prostorového vjemu je možné dosáhnout stínováním jednotlivých bodů, které některé softwary umožňují (obr. 5 a obr. 6 ze softwaru Geomagic). V detailech je ale stejně zobrazení nedostatečné pro spolehlivý výběr prostorových bodů.
4
Obr. 5 – Zobrazení detailu v bodovém zobrazení vlevo bez a vpravo se stínováním Při zmenšení měřítka zobrazení a dostatečně hustém mračnu bodů je ale stínovaná bodová reprezentace velmi vhodná.
Obr. 6 – Stínovaná bodová reprezentace mračna bodů v malém měřítku Dalším principiálním problémem zobrazení mračen bodů na 2D monitorech je nemožnost výběru bodu mimo zaměřené a zobrazené body mračna. Takže i v případě, kdy je při přiblížení prostorový vjem zachován, nemůže uživatel vybrat bod (například průsečík tří rovin) v místě, kde jej "vidí", ale musí vybrat nejbližší zaměřený bod mračna. Aby tímto omezením nebyla způsobena významná chyba v identifikovaných charakteristických bodech, bylo by nutné provádět měření s hustotou například desetkrát vyšší, než jsou očekávané směrodatné odchylky v jednotlivých souřadnicích. To většinou není technicky proveditelné a proto je nutné k očekávané směrodatné odchylce zaměření jednoho bodu mračna připočítat i polovinu středního rozestupu bodů. Oba dva zmíněné problémy, neprostorovost detailů a nutnost výběru bodu přímo z mračna, je možné odstranit pomocí stereoskopického zobrazení popsaného níže.
5
Možným řešením by taky bylo virtuální zhuštění bodů při zobrazení. Bez vyzkoušení je těžké posoudit vhodnost takového přístupu a autorům není znám žádný software, který by tuto metodu implementoval.
Obr. 7 – Zobrazení detailu v bodovém zobrazení s dopočtenými umělými body vlevo bez a vpravo se stínováním (srovnejte s obr. 5) 4.1.1. Stereoskopické zobrazení Autoři tohoto příspěvku si byli vědomi nedostatků standardní bodové reprezentace, a proto velmi uvítali představení stereoskopického systému pro zpracování mračen bodů PhoTopoL LaserScan, který vznikl jako nadstavba stereoskopického fotogrammetrického systému PhoTopoL Stereo. Na jeho otestování vypsal první z autorů bakalářskou práci [1]. Nejdůležitější poznatky plynoucí z této práce jsou, že přístup a základní myšlenka tohoto softwaru jsou správné, ale provedení trpí řadou nedostatků a omezení. Software je při práci subjektivně velmi pomalý (ve srovnání s jinými softwary při stejně rozsáhlých mračnech bodů a na stejně výkonném počítači) a neumožňuje stereoskopickou manipulaci v reálném čase. Je tedy nutné nejprve v klasickém zobrazení definovat kameru, následuje vygenerování stereoskopických "pseudosnímků" mračna a jejich zobrazení. Nyní je možné ve stereu provádět kresbu a vybírat body. Pokud je ale nějaká zájmová část zakryta nebo nevhodně zobrazena, je nutné znovu přepnout do klasického zobrazení a definovat nový pohled. Celý postup je velmi zdlouhavý a uživatelsky nepřívětivý. Hlavní výhodou je, že díky stereoskopickému vyhodnocení je možné použít mračno s výrazně nižší hustotou bodů (z důvodu pomalosti je to v tomto případě i nutnost) a vybírat z nich přesně body v prostoru mimo původní body mračna. Přesnost tohoto přístupu je srovnatelná s jinými metodami a je popsána v publikaci [7]. Výstupem z bakalářské práce [1] byl velmi podrobný a kvalitní prostorový model fasády Arcibiskupského semináře viz obr. 8.
6
Obr. 8 – Kompozice fotografie, drátové kresby a stínovaného modelu Stereoskopický efekt si je možné snadno vyzkoušet v některých softwarech, které podporují anaglyfické zobrazení (Pointools, Microstation). Bohužel kromě výše uvedeného softwaru PhoTopoL LaserScan jsme nezaznamenali žádný software k vyhodnocení (editaci, kresbě, segmentaci) mračen bodů z terestrického prostorového skenování ve stereu. Zmíněné softwary, které umožňují anaglyfické zobrazení (Pointools, Microstation) nejsou uzpůsobeny pro práci v tomto zobrazení (nemají prostorový kurzor a nástroje). Kromě toho není pohodlné používat anaglyfickou reprezentaci pro dlouhodobější práci. Kromě softwaru je problémem i dostupný hardware. V této oblasti nastal, ale v posledním roce významný krok dopředu zavedením softwarové a hardwarové podpory stereo zobrazení největším světovým výrobcem grafických karet NVidia nazvaný NVidia 3D Vision. Tato podpora představuje masově dostupné stereoskopické zobrazení založené na LCD panelu s vyšší frekvencí (120Hz) a aktivních brýlích. Původní záměr tohoto řešení byl zpřístupnění her a videa ve 3D a proto podporoval pouze technologii DirectX1). Výrobce ale již zavedl podporu pro technologii OpenGL1) u profesionální řady svých grafických karet. Z důvodu výhod stereo zpracování je podle názorů autorů pouze otázkou času, než se stereo vyhodnocování mračen bodů stane standardem. 4.1.2. Ortopohled Z hustého mračna bodů je možné vytvořit tzv. ortopohled odpovídající ortofotu známému z fotogrammetrie. Tento postup je velmi snadný a proto je v praxi často používaný,
1)
Technologie DirectX je používaná zejména pro hry a technologie OpenGL pro grafické 3D aplikace. 7
ale má funkční omezení proti doposud popsaným přístupům v nemožnosti určovat hloubkový rozměr. Principem metody je natočení zobrazení mračna bodů kolmo na definovanou rovinu (většinou je rovnoběžná s fasádou) a jeho přepnutí do ortogonálního režimu.
Obr. 9 – Ortopohled kostela Nanebevzetí Panny Marie v Chrudimi s vektorovou kresbou a výškovými kótami (více viz kap. 5.2.1) Přístupy jednotlivých softwarů k tomuto produktu se liší v provedení a v míře podpory. Například v softwaru Cyclone je možné takovýto pohled uložit do souboru v rozlišení vyšším, než je aktuální rozlišení zobrazovacího zařízení. Kromě obrazového souboru vygeneruje Cyclone návod, jak tento soubor správně připojit a georeferencovat v softwaru AutoCad. Jiným přístupem je možnost kresby ve zvolené rovině přímo v původní aplikaci. 4.2. Další formy dokumentace Kromě samotného mračna bodů je možné pracovat s dalšími formami zobrazení, které je možné na jeho základě vytvořit. Podle zkušeností autorů není, ale žádná z těchto metod v praxi používaná v dokumentaci architektonických památek. Z důvodu zaměření a omezeného rozsahu tohoto příspěvku budou tyto metody popsány velmi stručně. 4.2.1. Trojúhelníkové sítě Trojúhelníkové sítě je možné poloautomaticky generovat na mračnu bodů. Vytvořenou síť je nutné téměř vždy ručně zeditovat (zaplnění děr, odstranění chybných trojúhelníků, ...). Stínovaná trojúhelníková síť má proti bodovému zobrazení výhodu v tom, že ani při přiblížení není ztrácen prostorový efekt a že pro reprezentaci rovinných tvarů stačí výrazně nižší počet prvků.
8
Obr. 10 – Zobrazení pomocí trojúhelníkové sítě (srovnejte s obr. 3 a obr. 6) Některé softwary umožňují inteligentní automatickou redukci počtu trojúhelníků. Tento nástroj umožňuje výrazně snížit počet trojúhelníků při dostatečném zachování geometrie (hran).
Obr. 11 – Zobrazení detailu (shodný detail jako na obr. 5 a obr. 7) vlevo ve stejné hustotě bodů jako u obr. 5 a vpravo inteligentně redukované na dvacet procent Další výhodou trojúhelníkových sítí proti bodové reprezentaci je možnost použití textur, které jsou proti stejné hustotě barevné informace v mračnu bodů několikanásobně datově úspornější. 4.2.2. Modelování pomocí geometrických primitiv Geometrická primitiva jsou jednoduché geometrické útvary (rovina, válec, přímka, ...) dané implicitní nebo parametrickou rovnicí viz [6].
9
V případě že zaměřovaná fasáda je z velké části tvořena jednoduchými geometrickými útvary, je tento přístup nejkvalitnější. V útvarech proložených metodou nejmenších čtverců se eliminuje vliv náhodných odchylek jednotlivých podrobných bodů a poloha těchto útvarů je z matematického hlediska optimální. Významnou výhodou tohoto přístupu je minimální datová náročnost výsledných modelů. Nevýhodou je naopak časově velmi náročné zpracování, které je hlavním důvodem, proč se tento přístup nepoužívá v praxi.
Obr. 12 – Zobrazení pomocí geometrických primitiv 5. Realizované projekty 5.1. Vybrané projekty realizované na Katedře speciální geodézie V rámci výzkumu a výuky na našem pracovišti vznikla řada projektů většinou realizovaných ve formě bakalářských, diplomových a disertačních prací. 5.1.1. Zaměření parkánové zdi hradu Kost Tento projekt byl realizován na návrh diplomanta [3] a vznikl z podnětu stavební firmy Lanostav s.r.o. provádějící zde rekonstrukci. Projekt je zajímavý skloubením technologie laserového skenování a fotogrammetrie. Výstupy z projektu byly hustá síť horizontálních a vertikálních řezů vzniklých z dat laserového skenování a dále sada fotoplánů (např. viz obr. 1) vzniklých aplikací fotogrammetrie s využitím mračen bodů pro definici roviny fotoplánu a vlícovacích bodů. 5.1.2. Zaměření fasády Arcibiskupského semináře Tento projekt je zajímavý první aplikací a testováním stereoskopického systému PhoTopoL LaserScan. Zkušenosti s tímto přístupem a softwarem byly již popsány v kapitole 4.1.1, kde byl i zobrazen kombinovaný výstup na obr. 8. Podrobnosti je možné najít v bakalářské práci [1] a analýzu přesnosti a srovnání s fotogrammetrickou metodou v publikacích [5] a [7].
10
5.2. Vybrané projekty realizované firmou Geovap Mezi široké portfolio služeb firmy Geovap, s.r.o. patří i laserové skenování. Firma je vybavena skenovacím systémem Ilris-3D značky Optech. 5.2.1. Zaměření kostela Nanebevzetí Panny Marie v Chrudimi Zadáním bylo zaměření a vyhodnocení vnějšího pláště a krovu. Požadované výstupy byly 2D půdorysy, podélné a příčné řezy krovů, 2D výkresy všech fasád a ortopohledy na mračno bodů jednotlivých stěn fasády. Celkově měření zabralo osm dní a bylo měřené z 55 stanovisek. Hustota skenování byla průměrně 0,02 metru. Všechna mračna bodů byly doplněny o externí fotografie. Celkem bylo zaměřeno přibližně 45 miliónů bodů na vnějším plášti a 20 miliónů v krovech. Příklad výstupu výkresu fasády viz obr. 9 a krovu obr. 13.
Obr. 13 – Část půdorysu krovů 5.2.2. Zaměření klenby v klášteře paulánů v Nové Pace Zadavatel požadoval výstup v podobě digitálního modelu svrchní a spodní strany klenby (výsledek viz obr. 14) a řezy klenbou. Klenba byla skenována ze svrchní i spodní strany. Protože spodní strana byla snadno přístupná, tak byla zaměřena pouze ze čtyř stanovisek (zhruba 12 miliónu bodů). Vrchní část klenby byla přístupná hůře a bylo nutné volit 24 stanovisek (opět bylo naměřeno přibližně 12 miliónů bodů). Ke spojení modelu lícové a rubové strany klenby bylo využito zavěšení osvětlení kostela, které procházelo skrz klenbu. Měření probíhalo dva a půl dne. Následné zpracování naměřených dat trvalo dalších 12 hodin.
11
Obr. 14 – Digitální model svrchní a spodní strany klenby 5.3. Vybrané projekty realizované firmou Control System International Firma Control System International, s.r.o. nabízí řadu produktů založených na laserovém skenování. Firma vlastní skenovací systém Riegl LMS-Z420i a je vybavena řešením, které umožňuje snadné vyzvednutí skenovacího systému na stožáru až do výšky osmi metrů. Firma je výhradním zástupcem pro software Pointools (viz odstavec 4.1) v České republice. 5.3.1. Zaměření fasády Staroměstské radnice v Praze Objednatelem byla firma Contractis, s.r.o. Požadovaným výstupem bylo očištěné a transformované mračno bodů připravené pro použití v softwaru Pointools Model a ortopohledy na obarvená mračna bodů. Měření bylo provedeno z devíti stanovisek a bylo zaměřeno přibližně 35 miliónů bodů. Vizualizace výsledného mračna viz obr. 4 a níže.
12
Obr. 15 – Obarvené mračno bodů fasády Staroměstské radnice (zde ve stupních šedi) 6. Závěr Příspěvek se zaměřuje na současný stav v oblasti zaměření a vyhodnocení stavebních památek technologií terestrického laserového skenování. Nejprve jsou popsány alternativní dostupné technologie, jejich základní vlastnosti a srovnání s metodou laserového skenování. Dále jsou popsány možnosti a přístupy ke zpracování mračen bodů. U jednotlivých přístupů jsou popsány jejich základní rysy, jmenovány nejznámější softwary a je uveden výhled do budoucna podle názoru autorů. V poslední části jsou stručně popsány vybrané realizované akademické a praktické projekty. Příspěvek byl zpracován v rámci projektu "Specifický výzkum katedry".
Literatura [1] [2]
[3]
Bláha, M.: Zaměření historické fasády laserovým skenovacím systémem HDS3000 a zpracování naměřených dat. Bakalářská práce, 2007. Boehler, W. – Marbs, A.: 3D Scanning and Photogrammetry for Heritage Recording: A Comparison. Geoinformatics 2004, University of Gavle, 2004. (9.2009)
Bušta, J.: Zaměření stávajícího stavu parkánové zdi hradu Kost. Bakalářská práce, 2009.
13
[4]
[5]
[6]
[7]
[8] [9] [10]
Grussenmeyer, P. – Landes, T. – Voegtle, T. – Ringle, K.: Comparison Methods of Terrestrial Laser Scanning, Photogrammetry and Tacheometry Data for Recording of Cultural Heritage Buildings. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B5. Beijing 2008, 2008. (9.2009) Haličková, J. – Chlepková, M. – Koska, B.: Porovnanie metódy laserového skenovania a digitálnej fotogrametrie pri dokumentácii historickej fasády. Zborník referátov zo seminára k 50. výročiu sústredenej výučby na Počúvadle. Bratislava: STU, Stavebná fakulta, Katedra geodézie, 2007. 2) Koska, B.: Veřejná knihovna tříd a funkcí SPATFIG k ortogonálnímu prokládání obecných geometrických útvarů mračnem bodů. Aktuální problémy fotogrammetrie a DPZ 2005. Praha: ČVUT, Fakulta stavební, Katedra mapování a kartografie, s. 2933, 2005. 2) Koska, B. – Haličková, J. – Chlepková, M.: Posúdenie presnosti metódy laserového skenovania a digitálnej fotogrametrie pri dokumentácii historickej fasády. Interdisciplinárne aplikácie fotogrametrie a geodézie. Bratislava: STU, Stavebná fakulta, Katedra geodézie, 2007. 2) Křemen, T. - Koska, B: Výběrový přehled: Terestrické skenovací systémy. Zeměměřič. Ročník 15, č. 5+6, s. 10-12, 2008. 2) Pavelka, K.: Fotogrammetrie 10. 2. vyd. Praha: ČVUT, 191 s., 2002. Řezníček, J. – Pavelka, K.: Culture Heritage Preservation with Optical Correlation Scanner. CIPA 2009, Kyoto.
2)
Tyto publikaci jsou dostupné v plném rozsahu na webové stránce prvního z autorů příspěvku: http://k154.fsv.cvut.cz/~koska/publikace/publikace.php . 14
7. Anglické varianty
The Possibilities of Using Laser Scanning Technology for Constructional Monument Documentation. 8. Resume At first the available technologies for constructional monument documentation are described. Possible approaches to laser scanning data processing and its properties are presented next. The selected realized projects from both academic and commercial domain are briefly described in the last chapter.
15
