PROGRAMOVÉ MOŽNOSTI ZPRACOVÁNÍ PROSTOROVÝCH DAT V OBLASTI INŽENÝRSKÉ GEODÉZIE. Jiří Pospíšil, Tomáš Křemen, Bronislav Koska 1

PROGRAMOVÉ MOŽNOSTI ZPRACOVÁNÍ PROSTOROVÝCH DAT V OBLASTI INŽENÝRSKÉ GEODÉZIE SOFTWARE POSSIBILITIES OF SPACE DATA PROCESSING IN THE AREA OF ENGINEERING GEODESY

Jiří Pospíšil, Tomáš Křemen, Bronislav Koska1 Abstract The grant project "Processing and the Analysis of the Products of the Mass 3D Data Collection realized by Terrestrial Scanning Systems" 103/06/0094 also solves issue of spatial data in the area of engineering geodesy. It is for example surveying the real state of line underground construction or surveying the current state of facade for its reconstruction. The paper describes the method of surveying part of mining gallery Josef and facade of Archbishop Seminary in Prague by using of the Leica HDS 3000 laser scanning system, preprocessing of the measured data and their following processing with use of various programs (PhoTopoL LaserScan, Atlas DMT – Tunel, Spatfig ...). Innovative approaches, processing variability and scope of the possible applications were important criterions for choosing programs.

1

Úvod

Katedra speciální geodézie je zaměřena zejména na oblast inženýrské geodézie. V roce 2006 se na toto pracoviště podařilo získat laserový skenovací systém Leica HDS 3000 (obr. 1). Tento systém je tvořen laserovým skenerem HDS 3000 a softwarem Cyclone. Základní specifikace skeneru jsou: směrodatná odchylka délky 4 mm, směrodatná odchylka vertikálního a horizontálního úhlu 60 mikro-radiánů, optimální pracovní rozsah 1 – 100 metrů, průměr stopy 6 mm na 50 metrů, rychlost měření 4000 bodů za sekundu.

obr. 1 – Laserový skener Leica HDS 3000 1 Doc. Ing. J. Pospíšil, CSc., Ing. T. Křemen, Ing. B. Koska: Katedra speciální geodézie, Fakulta stavební, České vysoké učení technické v Praze, Thákurova 7, 166 29 Praha 6 - Dejvice, e-mail: [email protected], tel.: 00420 22435 4735

Kromě zapojení do výuky je tento systém zkušebně využíván k rozličným aplikacím v oblasti inženýrské geodézie a dalších speciálních oblastech. Systém je postupně doplňován o komerční i námi vyvíjené programy. V příspěvku jsou popsány vybrané zajímavé aplikace a způsoby jejich řešení.

2

Zaměření skutečného stavu liniového podzemního díla a jeho srovnání s projektem

Zajímavou a potřebou geodetickou aplikací při budování dopravních podzemních liniových staveb je určování skutečného stavu důlního díla a případné srovnání s projektem. Toto měření má využití v rozličných fázích výstavby. Jedná se například o průběžnou kontrolu primárního ostění pro kontrolu dodržení minimálního profilu nebo o dokumentaci skutečného stavu provedení stavby podrobným zaměřením sekundárního ostění a příslušných instalací (inženýrské sítě, povrch vozovky, dopravní značení, ...). Pro ověření možnosti využití technologie laserového skenování k výše zmíněným účelům bylo provedeno experimentální měření v prostorách důlního díla Josef. K vyhodnocení naměřených dat byl využit softwarový produkt Atlas DMT s nadstavbou Tunel. 2.1 Měření Měření proběhlo v prostorách důlního díla Josef. Jedná se o bývalý zlatý důl v těžebním revíru Psí hory v blízkosti obce Čelina, který byl zpřístupněn a je v současné době využíván pro vědecké a výukové potřeby Fakultou stavební ČVUT v Praze (více viz [1]).

obr. 2 – Měření ve štole Josef V rámci experimentu bylo podrobně zaměřeno přibližně 130 metrů vstupní páteřní štoly. Pro měření byl použit systém Leica HDS 3000.

obr. 3 – Část spojených mračen bodů Nejprve bylo vytvořeno bodové pole realizované osmi body ve třech profilech. Tyto body sloužily pro propojeni mračen bodů z jednotlivých stanovisek. Z důvodu ochrany bodů, byl navržen speciální systém stabilizace bodů, který vychází z geodetické praxe u podzemních děl. Jedná se o trvale stabilizovaný železný roxor s čepem, na který je nasazován ve dvou osách otočný plastový výlisek s centricky nalepenou odraznou fólií. Pro naše potřeby byla na druhou stranu plastového výlisku umístěna přesná kopie originálního terče HDS.

obr. 4 – Navržené terče HDS Stanoviska byla volena přibližně po patnácti metrech a bylo nastaveno maximální zorné pole skenování (360° x 270°). Hustota skenování byla definována v obou směrech na 0.04 metru na vzdálenost 10 metrů. 2.2 Vyhodnocení Nejprve byla mračna z jednotlivých stanovisek registrována (transformována) do jednoho souřadnicového systému v softwaru Cyclone. Průměrná absolutní chyba registrace byla šest milimetrů. V dalším kroku byly z mračna vymazány body na objektech, které nebyly obsahem skenování (důlní vozík, příslušenství skenovacího systému,…). Počet bodů v očištěném mračnu byl zhruba sedm miliónů a z důvodu pohodlnější manipulace byl snížen na přibližně jeden milion. Další práce již probíhali v softwaru Atlas DMT v modulu Tunel (verze 3.8, protože modul Tunel nebyl zatím upraven pro vyšší verzi), který umožňuje vytvoření modelu odchylek skutečného stavu od projektu. Základním vstupem pro tento výpočet jsou naměřená data

skutečného stavu a informace o projektu (osový polygon, příčné profily, staničení příčných profilů). Protože u zaměřené štoly není k dispozici projektová dokumentace, byl pro naše potřeby vytvořen virtuální projekt ražby štoly. Funkce "Generace rozvinuté plochy" vytváří digitální model odchylek. Ten je možné zobrazit v rozbalené formě hypsometricky nebo je možné vygenerovat v zadaném staničení příčné řezy se zobrazeným projektovým profilem a skutečným stavem.

obr. 5 – Příčný profil Z příčných řezů je možno vypočítat přibližné objemy nadvýrubu a podvýrubu vůči projektu. Přesnější možností určení objemu je přímý výpočet z digitálního modelu odchylek.

obr. 6 – Hypsometrické zobrazení části digitálního modelu odchylek štoly Klíčovou vlastností modulu Tunely je možnost vyexportování reálných souřadnic bodů ohraničujících zájmové oblasti (např. oblasti zasahující do průjezdného profilu) pro potřeby jejich vytyčení na ostění. 2.3 Závěr Uvedený experiment prokázal možnost využití skenovacího systému a softwaru Atlas DMT s modulem Tunel pro určení odchylek skutečného stavu od projektu. Určitým omezením v použití softwaru Atlas DMT je nemožnost vyhodnocení oblastí kolmých na osu tunelu jako je ostění výklenků atp. Toto omezení je způsobeno charakteristickým rysem softwarů pro práci s digitálními modely terénu, u kterých jsou trojúhelníkové sítě generovány ve 2D a neumožňují práci s převisy.

3

Měření posunů

Měření posunů je významnou součástí geodetických prací ve stavebnictví. V provedeném experimentu jsou posouzeny možnosti využití technologie laserového skenování pro měření deformací. Byly provedeny experimenty, které ověřují přesnost určení posunů HDS terčů, a vymodelované roviny. Experimenty byly uskutečněny v laboratorních podmínkách s využitím interferometru. 3.1 Měření Experiment probíhal v laboratoři vybavené interferometrem Renishaw ML10 Gold Standard, jehož přesnost je 0.7 μm. Na posuvnou lavici interferometru byly umístěny HDS terče, koule a rovina. Byly určovány posuny v podélném a příčném směru. V podélném směru byly provedeny celkem tři experimenty. V prvním experimentu byla vzdálenost vozíku interferometru od skeneru přibližně šestnáct metrů. Na vozíku byly umístěny dva terče HDS 3" x 3" čtvercového tvaru, jeden kruhový terč o průměru 6" a přesná koule o průměru 218 mm (obr. 7). Vozík s terči byl zaměřen v deseti polohách. Posuny mezi jednotlivými polohami byly v řádu centimetrů v podélném směru. Terče byly ve všech pozicích

zaměřeny jako HDS terče s využitím vnitřního procesu určování polohy identických bodů softwarem Cyclone – Scan. Stejným způsobem byla zaměřena i koule. V druhém experimentu bylo provedeno obdobné měření na vzdálenost přibližně pět metrů. Vozík s terči byl zaměřen v deseti polohách. Ve třetím experimentu byla na vozíku umístěna rovina tak, aby normála této roviny byla přibližně rovnoběžná se směrem skenování. I v tomto případě byl vozík s terči zaměřen v deseti polohách.

obr. 7 – Fotografie a mračno bodů vozíku s terči na interferometru Pro příčný směr byl proveden jeden experiment na vzdálenost přibližně pět metrů z důvodu omezených prostor laboratoře. Na vozíku byly umístěny dva terče HDS 3" x 3" čtvercového tvaru, jeden kruhový terč o průměru 6" a přesná koule o průměru 218 mm. Měření bylo provedeno v deseti polohách vozíku s vzájemnými příčnými posuny v řádu centimetrů. 3.2 Vyhodnocení 3D pozice všech měřených HDS terčů ve všech etapách byly odečteny v softwaru Cyclone. Z těchto pozic byly vypočteny posuny terčů mezi jednotlivými etapami. Ty byly porovnány s přesnými posuny získanými z měření interferometru. Vzhledem k přesnosti interferometru lze získané rozdíly považovat za skutečné chyby. Z těchto chyb byly vypočteny směrodatné odchylky posunu terčů viz tab. 1. Při určování kulového terče byl v softwaru Cyclone Scan použit průměr standardních kulových HDS terčů (průměr šest palců). Při určování posunů roviny v podélném směru byly její mračna bodů v jednotlivých etapách proloženy rovinou v softwaru Cyclone. Pro posouzení posunu byla vypočtena vzdálenost jednoho bodů jedné roviny od roviny druhé. Terč / Měření 1. čtvercový terč 3x3” 2. čtvercový terč 3x3” Kruhový terč 6” Průměr z terčů Koule Rovina (modelovaná)

Podélný 16 m [mm] 0.75 0.70 0.69 0.71 0.74

Podélný 5 m [mm] 0.82 0.41 0.73 0.68 0.58 0.36 tab. 1 – Směrodatné odchylky posunů

Příčný 5 m [mm] 0.11 0.21 0.11 0.15 0.85

3.3 Závěr V tabulce 1 jsou vidět souhrnné výsledky z určení posunu rovinných HDS terčů, koule a roviny. Z uvedených dat je zřejmé, že přesnost zaměření čtvercového a kruhového rovinného HDS terče je obdobná. Směrodatná odchylka posunu rovinného HDS terče a koule v podélném směru je přibližně 0.7 mm ve vzdálenosti 5 i 16 metrů. Pro rovinu ve vzdálenosti 5 metrů je směrodatná odchylka 0.36 mm. Směrodatná odchylka posunu rovinného HDS terče v příčném směru je přibližně 0.15 mm a pro kouli 0.85 mm. Vyšší přesnost v příčném směru je dána vyšší úhlovou přesností skeneru HDS 3000 oproti přesnosti délkové (viz. [2]).

4

Zaměření historické fasády

Zajímavou aplikací laserových skenovacích systémů je sběr dat pro vytvoření modelu fasád historických budov. Tyto práce byly před nástupem technologie laserového skenování vyhrazeny pro fotogrammetrii. V současné době jsou použitelné obě metody a jsou často srovnávány jak z hlediska pracnosti tak přesnosti např. viz [3]. Významný impuls pro vhodnost využití laserového skenování představuje uvedení nového a z hlediska principu unikátního softwaru PhoTopoL LaserScan. Tento software vyvinutý jako nadstavba profesionálního fotogrammetrického softwaru využívá speciálního hardwaru (brýlí – StereoGraphics Crystal Eyes a řídícího modulu) k simulaci stereo vjemu při vyhodnocení prostorových dat. Tento originální přístup umožňuje vyšší efektivitu práce než tradiční postupy, které jsou popsány např. v [4]. Princip vyhodnocení je následující: Jsou vytvořeny dva virtuální snímky mračna bodů. Tyto snímky vzniknou jako projekce vybrané části mračna virtuálními matematicky definovanými kamerami, jejichž poloha odpovídá poloze kamer při klasické stereofotogrammetrii. Další zpracování již probíhá standardně. Hlavní výhodou je, že uživatel není omezený na kresbu pouze na zaměřených bodech, ale může zadávat vstupy libovolně v prostoru. 4.1 Měření Jako objekt měření byla vybrána pravá a střední část fasády Arcibiskupského semináře z roku 1929 viz obr. 8, který se nachází v sousedství Fakulty stavební.

obr. 8 – Modelovaná část fasády

Byly vybrány tři stanoviska a zvoleno celkem 14 identických bodů. Hustota měření byla nastavena v horizontálním i vertikálním směru 5 mm na vzdálenost 50 metrů (to odpovídá skutečné průměrné vzdálenosti přístroje od fasády). Měření na každém stanovisku trvalo přibližně dvě hodiny. Díky vysoké hustotě skenování byl celkový počet naměřených bodů přibližně 20 miliónů. Kromě snímkování interní kamerou systému HDS 3000 byla fasáda taky vyfotografována digitální kamerou Canon EOS 350D a tyto snímky byly použity pro přiřazení barev jednotlivým bodům. K ovládání skeneru je používán software Cyclone – Scan. 4.2

Zpracování

4.2.1 Přiřazení barev V softwaru Cyclone – Scan byly jednotlivým bodům přiřazeny barvy z digitálních fotografií pořízených externí kamerou. Takto pořízené barvy jsou mnohem přesnější než barvy získané integrovanou kamerou. 4.2.2 Registrace a očištění dat V softwaru Cyclone – Register proběhla transformace měření mezi jednotlivými stanovisky. Průměrná absolutní chyba této transformace je 1.8 mm. Identické body viz obr. 9.

obr. 9 – Volba stanovisek a identických bodů – mračno před očištěním V dalším kroku byla registrovaná data očištěna od dat, která nebyla zájmem našeho měření (vnitřní prostory budovy, vegetace, auta,…). Očištění proběhlo v softwaru Cyclone – Model viz obr. 9 a 10.

obr. 10 – Mračno po očištění

4.2.3 Vyhodnocení charakteristických bodů Toto vyhodnocení proběhlo v softwaru PhoToPol LaserScan. V našem případě byly vyhodnoceny pouze jednotlivé lomové body a tvorba modelu probíhala v softwaru Microstation V8. 4.2.4 Tvorba modelu Tato část vyhodnocení je již nezávislá na metodě získání prostorových souřadnic lomových bodů. V případě, že je snahou vytvořit "vodotěsný" model, je nutné přistoupit k určité generalizaci a idealizování modelované skutečnosti. K tvorbě modelu byl použit CAD software Microstation V8. V tomto softwaru proběhla taky vizualizace výsledného modelu (viz obr. 11 a 12).

obr. 11 – Drátové zobrazení a vizualizace části modelu fasády

obr. 12 – Kombinované zobrazení modelu fasády (drátový model, stínování, fotografie)

4.3 Závěr V této kapitole je popsán postup vyhotovení podrobného digitálního modelu členité historické fasády s využitím softwaru PhoTopoL LaserScan. Tento software využívá umělého stereovjemu k odečítání jednotlivých bodů v prostoru, což je postup běžně využívaný u stereo-fotogrammetrie. Originální a přínosné je jeho využití pro zpracování dat z laserového skenování. Podrobné srovnání fotogrammetrické metody a metody laserového skenování s využitím softwaru PhoTopoL LaserScan z hlediska pracnosti a přesnosti viz [5] a [6].

5

Shrnutí

V příspěvku je prezentováno využití technologie laserového skenování k rozličným aplikacím v oblasti inženýrské geodézie a dalších speciálních oblastech. Zvláštní zřetel je kladen na popis použitého softwarového vybavení, který byl vybrán s ohledem na originalitu řešení a variabilitu možných využití. V první části je popsán postup měření a zpracování naměřených dat v případě dokumentace skutečného stavu, nebo jeho srovnání s projektem, v případě podzemní liniové stavby. V druhém příkladu jsou na základě laboratorních měření zváženy možnosti využití technologie laserového skenování k určování posunů. V poslední kapitole jsou popsány schopnosti laserových skenerů k dokumentaci členité historické fasády v případě použití originálního softwarového produktu PhoTopoL LaserScan. Článek byl zpracován v rámci grantového projektu GA ČR 103/06/0094 "Zpracování a analýza produktů hromadného sběru 3D dat terestrickými skenovacími systémy".

Literatura a odkazy [1] [2]

[3]

[4]

[5]

[6]

http://www.uef-josef.eu/ Křemen, T. - Koska, B. - Pospíšil, J., 2006: Verification of Laser Scanning Systems Quality. In: XXIII International FIG Congress Shaping the Change [CD-ROM]. Munich: FIG, ISBN 87-90907-52-3. Boehler, W. – Marbs, A.: 3D Scanning and Photogrammetry for Heritage Recording: A Comparison. In: Proc. 12th Int. Conf. on Geomatics – Geospatial Information Research: Bridging the Pacific and Atlantic. University of Gavle, Sweden, 2004. Koska, B. – Křemen, T. – Pospíšil, J.: Srovnání možností zaměření a vyhodnocení historické fasády. In: Aktuální problémy fotogrammetrie a DPZ. Praha: České vysoké učení technické v Praze, s. 11–16, 2006. Haličková, J. – Chlepková, M. – Koska, B.: Porovnanie metódy laserového skenovania a digitálnej fotogrametrie pri dokumentácii historickej fasády. In: Zborník prednášok "50 rokov sústredenej výučby geodézie v teréne na Počúvadle - minulosť, súčasnosť a perspektívy. Bratislava: STU, Stavebná fakulta, Katedra geodézie, 2007. Koska, B. – Haličková, J. – Chlepková, M.: Posúdenie presnosti metódy laserového skenovania a digitálnej fotogrametrie pri dokumentácii historickej fasády. In: Interdisciplinárne aplikácie fotogrametrie a geodézie. Bratislava: STU, Stavebná fakulta, Katedra geodézie, 2007.