Zastosowanie naziemnego skaningu laserowego i przetwarzanie danych: inwentaryzacja i inspekcja obiektów budowlanych.

Transkrypt

1 Seria GEOMATYKA Zastosowanie naziemnego skaningu laserowego i przetwarzanie danych: inwentaryzacja i inspekcja obiektów budowlanych. Przegląd technologii i przykłady zastosowań. Magdalena Bernat, Alicja Byzdra, Mariusz Chmielecki, Przemysław Laskowski, Janusz Orzechowski, Sławomir Rzepa, Jakub Szulwic, Patryk Ziółkowski ISBN

2 Wydawnictwo Polskiego Internetowego Informatora Geodezyjnego seria GEOMATYKA - wydanie 2016 Redakcja: Katedra Geodezji Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska 2 Politechnika Gdańska Redakcja naukowa monografii: dr inż. arch. Dominka Wróblewska, dr inż. Artur Janowski, dr hab. inż. Marek Przyborski, prof. nadzw. PG, dr inż. Jacek Sokołowski, dr inż. Wioletta Gorczewska-Langner, mgr inż. Daria Bieńkuńska Redaktor techniczny monografii: inż. Alicja Byzdra Wydawca: I-NET.PL Sp.J. ul. Józefa Wassowskiego 19c, Gdańsk office@i-net.pl Afiliacja: Magdalena Bernat, Daria Bieńkuńska, Alicja Byzdra, Mariusz Chmielecki, Wioletta Gorczewska-Langner, Przemysław Laskowski, Janusz Orzechowski, Marek Przyborski, Sławomir Rzepa, Jacek Sokołowski, Jakub Szulwic, Dominika Wróblewska, Patryk Ziółkowski: Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska. Magdalena Bernat: Uniwersytet Gdański, Wydział Historyczny. Artur Janowski: Uniwersytet Warmińsko- Mazurski w Olsztynie, Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej i Budownictwa Monografia / Praca Naukowa: recenzowana w ramach procedury wydawniczej. Redaktor prowadzący serii GEOMATYKA: dr inż. Jakub Szulwic. WYDANIE I. ISBN Dostępny on-line w serwisie

3 Monografia wydana w ramach Forum Geodezyjnego Innowacje w Geodezji. Forum Geodezyjne Innowacje w Geodezji finansowane w ramach umowy 965/P-DUN/2016 ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę. 3

4 SPIS TREŚCI 1. WSTĘP TEORETYCZNE PODSTAWY INWENTARYZACJI ARCHITEKTONICZNEJ Z UŻYCIEM NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO Technologia naziemnego skaningu laserowego (TLS) Klasyfikacja skanerów laserowych Tachimetry skanujące Intensywność odbicia INWENTARYZACJA OBIEKTÓW ZABYTKOWYCH Z WYKORZYSTANIEM SKANINGU LASEROWEGO (PRZEGLĄD WSPÓŁCZESNYCH ROZWIĄZAŃ) DOKŁADNOŚĆ, METODOLOGIA I OGRANICZENIA TECHNIKI POMIAROWEJ Rozmieszczenie stanowisk w zależności od przewidywanej metody rejestracji Dobór rozdzielczości Kąt padania wiązki lasera Szumy Martwe pola Dywergencja wiązki Warunki atmosferyczne Szklane i błyszczące powierzchnie Inne czynniki utrudniające przeprowadzenie pomiarów NAZIEMNY SKANING LASEROWY WIELKOGABARYTOWEGO ZABYTKOWEGO OBIEKTU ARCHITEKTONICZNEGO DZIEDZIŃCA IM. JANA HEWELIUSZA Opis środowiska pomiarowego Skanowany obiekt Naziemny skaner laserowy Tarcze HDS Realizacja pomiaru Ograniczenia metody pomiarowej Rejestracja Porównanie pokrycia elementów obiektu chmurą punktów Widoki martwych pól powstałych podczas skanowania obiektu Filtracja Opis środowiska modelowania Realizacja modelowania Ograniczenia metody modelowania Modelowanie rzeźb oraz ozdobnych gzymsów Modelowanie niepłaszczyznowych elementów architektonicznych Modelowanie rur oraz konstrukcji kratownicowej dachu... 54

5 6. INWENTARYZACJA ZABYTKOWEGO BUDYNKU KUŹNI W GDAŃSKU ORUNII Opis obiektu będącego przedmiotem pomiaru Rys historyczny i architektura Funkcje obiektu Ograniczenia metody pomiarowej Przygotowanie do opracowania wyników pomiaru Oprogramowaniu wykorzystane do opracowania chmury punktów Przegląd skanów Wykrycie środków tarcz HDS Orientacja Chmura do chmury Przy użyciu tarcz Filtracja i nałożenie tekstury pochodzącej ze zdjęć cyfrowych Inwentaryzacja obiektu na podstawie danych pozyskanych z naziemnego skaningu laserowego Pomiar pionowości ściany Pomiar prześwitów pod podcieniem Ocena ubytków powierzchni TruView w przeglądarce internetowej INWENTARYZACJA ZABYTKOWEGO OBIEKTU SAKRALNEGO KAPLICY KRÓLEWSKIEJ W GDAŃSKU Przedmiot inwentaryzacji Wykorzystana aparatura pomiarowa Przygotowanie kampanii pomiarowej Przygotowanie obiektu Rozplanowanie stanowisk Rozplanowanie rozmieszczenia znaczków identyfikacyjnych Realizacja kampanii pomiarowej Rozmieszczenie w terenie znaczków identyfikacyjnych Przygotowanie stanowisk pomiarowych Realizacja skanów na poszczególnych stanowiskach Kąt padania i odległość od skanowanego obiektu Zastosowane oprogramowanie i import danych pomiarowych do przestrzeni roboczej Ocena przydatności poszczególnych skanów Wstępna orientacja stanowisk Metodą znaczków identyfikacyjnych Metodą chmura do chmury Metodą dopasowania modeli Identyfikacja i próby rozwiązania problemów, filtracja danych Orientacja przesuniętych skanów na dachu budynku... 97

6 Błędna identyfikacja tarcz Orientacja stanowisk z wąskim pokryciem wzajemnym i małą ilością powiązań Filtracja danych przypadkowych i nieidentyfikowalnych Przesunięcie punktów na szybach Odblaski nieidentyfikowalne Odbicia od połyskliwej kopuły Skan wschodniej ściany przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych Doprowadzenie do widoku zamkniętych otworów drzwiowych Widoczność znaczków na modelu Błędy w wykonywaniu zdjęć Martwe strefy Utworzenie ostatecznej orientacji, opracowanie modelu i eksport danych PODSUMOWANIE Możliwości wykorzystania Wnioski WYKAZ LITERATURY WYKAZ RYSUNKÓW WYKAZ TABEL

7 Rozdział I WSTĘP 7 ZASTOSOWANIE NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO I PRZETWARZANIE DANYCH: INWENTARYZACJA I INSPEKCJA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH. opracowanie i redakcja: Alicja Byzdra

8 1. WSTĘP 8 Ze względu na dynamiczny rozwój technologii naziemnego skaningu laserowego (TLS, ang. Terrestrial Laser Scanning) oraz szybkość i dokładność pozyskiwania dużej ilości danych w krótkim czasie, skanery laserowe zyskują coraz większą popularność. Urządzenia te znajdują liczne zastosowania w topografii, badaniach środowiska przyrodniczego, badaniach deformacji obiektów inżynierskich, a także coraz częściej w badaniach obiektów zabytkowych, a zwłaszcza w ich inwentaryzacji. Zabytki kultury materialnej odgrywają bardzo ważną rolę w naszej kulturze. Dokumentując osiągnięcia poprzednich pokoleń, przekazując informacje historyczne o minionej epoce. Niosąc kulturowe oraz duchowe wartości, stanowią ważną część dziedzictwa kulturowego. Przez wzgląd na wartość historyczną, naukową czy też artystyczną zabytków istotna jest ich ochrona oraz dbałość o zachowanie dla przyszłych pokoleń, dlatego są one przedmiotem badań architektonicznych i konserwatorskich. Jednocześnie obiekty zabytkowe wymagają stałej kontroli stanu zachowania oraz przeprowadzania prac konserwatorskich czy restauratorskich. Prace te niejednokrotnie bazują na inwentaryzacji architektonicznej obiektu a jakość prac jest ściśle zależna od dokładności inwentaryzacji. Do niedawna powszechnie stosowaną metodą w inwentaryzacji zabytków była fotogrametria bliskiego zasięgu. Obecnie ze względu na skrócenie czasu pomiaru oraz zwiększenie osiąganych dokładności coraz częściej wykorzystuje się do tego celu metodę skaningu laserowego. Została ona dopuszczona do wykonywania geodezyjnych pomiarów sytuacyjnych i wysokościowych w Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 9 listopada 2011 r. w sprawie standardów technicznych wykonywania geodezyjnych pomiarów sytuacyjnych i wysokościowych oraz opracowywania i przekazywania wyników tych pomiarów do państwowego zasobu geodezyjnego i kartograficznego (Dz.U nr 263 poz. 1572), a tym samym również do inwentaryzacji obiektów budowlanych. Dane ze skaningu laserowego mogą posłużyć nie tylko do opracowania podstawowej dokumentacji technicznej zabytku, ale także do przeprowadzenia licznych badań budowlanych stanu mierzonego obiektu. W monografii opisano problemy występujące podczas przeprowadzania pomiarów i późniejszego opracowania wyników naziemnego skaningu laserowego obiektów zabytkowych na przykładzie: Dziedzińca Południowego im. Jana Heweliusza, będącego częścią zabytkowego Gmachu Głównego Politechniki Gdańskiej, budynku kuźni w Gdańsku Orunii, zabytkowego domu podcieniowego o konstrukcji szachulcowej, Kaplicy Królewskiej w Gdańsku, barokowej budowli sakralnej. W niniejszej publikacji przedstawiono możliwości dalszego wykorzystania opracowanych danych oraz zaproponowano nowe rozwiązania wybranych problemów.

9 Rozdział II TEORETYCZNE PODSTAWY INWENTARYZACJI ARCHITEKTONICZNEJ Z UŻYCIEM NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO 9 ZASTOSOWANIE NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO I PRZETWARZANIE DANYCH: INWENTARYZACJA I INSPEKCJA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH. opracowanie i redakcja: Alicja Byzdra

10 2. CJI ARCHITEKTONICZNEJ Z UŻYCIEM NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO 2.1. Technologia naziemnego skaningu laserowego (TLS) 10 Skaning laserowy jest bezkontaktową metodą obrazowania powierzchni badanego obiektu, wykorzystującą promieniowanie elektromagnetyczne emitowane i odbierane przez skaner. Technologia opiera się na pomiarze odległości punktu od urządzenia oraz kierunku wysyłania promienia laserowego, z których następnie wyznaczane są współrzędne X, Y, Z punktu w lokalnym układzie współrzędnych instrumentu według zależności (2.1). Proces skanowania odbywa się ze wskazaną przez użytkownika gęstością, realizowaną przez obracanie się skanera o określony kąt pionowy i poziomy wokół własnej osi. W porównaniu z tradycyjnymi metodami pomiaru skaning laserowy umożliwia pozyskiwanie w ciągu sekundy współrzędnych dużej liczby punktów. Otrzymany zbiór danych w postaci chmury punktów, sięga rozmiarem kilku milionów punktów o znanych współrzędnych w dowolnym układzie współrzędnych X, Y, Z. Dodatkowo na chmurę punktów, opisującą geometrię obiektu, można nałożyć teksturę pochodzącą ze zdjęć wykonanych kamerą cyfrową wbudowaną w skaner, celem ułatwienia interpretacji szczegółów. Poszczególnym punktom chmury przypisywane są wartości kolorów w modelu przestrzeni barw RGB, odpowiadające kolorom zarejestrowanym na zdjęciach. W odróżnieniu od lotniczego (ALS, ang. Airborne Laser Scanning) i mobilnego skaningu laserowego (MLS, ang. Mobile Laser Scanning), gdzie skaner montowany jest odpowiednio na statku powietrznym lub samochodzie, w naziemnym skaningu laserowym pomiar wykonywany jest na stanowisku stacjonarnym [Wężyk P., 2010], [Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania Polskiej Akademii Nauk, 2015], [Kamiński W., et al., 2008], [Kędzierski M., et al., 2008]. gdzie: α kąt poziomy, β kąt pionowy, d odległość skośna. x = d cosβ cosα (2.1) y = d cosβ sinα z = d sinβ Skaner laserowy zazwyczaj składa się z: nadajnika (diody) generującego światło lasera, systemu wirujących luster, równomiernie rozrzucających wiązkę lasera po zadanej powierzchni, teleskopu optycznego skupiającego odbite sygnały lasera, detektora, który konwertuje energię świetlną do postaci gotowej do zapisania w module rejestracji (HDD, karta pamięci), jednostki kontrolującej, której podlega nadajnik i detektor.

11 2.2. Klasyfikacja skanerów laserowych Ze względu na sposób pomiaru odległości możemy wyróżnić skanery impulsowe, fazowe oraz skanery triangulacyjne (z pojedynczą lub podwójną kamerą) (Rys. 2.1). Skanery 3D Dalmierzowe Triangulacyjne 11 Impulsowe Fazowe Z pojedynczą kamerą Z podwójna kamerą Rys Klasyfikacja skanerów laserowych ze względu na rodzaj zastosowanej jednostki [Kaspar M., et al., 2004] Podczas pomiaru skanerem impulsowym (pulsacyjnym, TOF, ang. time-of-flight) emitowana wiązka światła ulega odbiciu od powierzchni celu, a jej powrót zostaje zarejestrowany w detektorze. Na podstawie pomiaru czasu między momentem emisji i powrotu impulsu według zależności (2.2) obliczana jest odległość punktu od skanera. Skanery impulsowe zapewniają dokładność pomiaru odległości na poziomie 4-10 mm przy szybkości skanowania do punktów na sekundę i maksymalnym zasięgu do 300 m. gdzie: L odległość punktu od skanera [m], L= c t 2 c prędkość poruszania się wiązki lasera równa prędkości światła [m/s], t różnica czasu między momentem wysłania wiązki lasera i jej powrotu [s]. W skanerach fazowych (skaner fali ciągłej, CW, ang. continuous wave) pomiar odległości odbywa się poprzez analizę przesunięcia fazowego fali powracającej do detektora po odbiciu od obiektu w porównaniu do fazy wysłanej wiązki. Odległość punktu od skanera obliczana jest z zależności (2.3). W zestawieniu ze skanerami impulsowymi skanery fazowe umożliwiają pomiar odległości z większą precyzją (dokładność 4 mm) i szybkością (do ok punktów na sekundę), jednakże przy mniejszym zasięgu skanowania (do ok. 130 m). (2.2) gdzie: L odległość punktu od skanera [m], c prędkość światła [m/s], f częstotliwość fali [Hz], ϕ przesunięcie fazowe [rad]. L= 1 c ϕ (2.3) 4π f

12 12 Trzecia grupa to skanery triangulacyjne, które znajdują zastosowanie w precyzyjnych pomiarach w przemyśle i medycynie, a ich maksymalny zasięg wynosi ok. 3 m. Pomiar odbywa się poprzez wysłanie wiązki lasera, która pada na matrycę kamery cyfrowej po uprzednim odbiciu od obiektu. Odległość punktu pomiarowego uzyskiwana jest z obliczeń triangulacyjnych przy znanych: odległości lasera od kamery oraz kącie nachylenia α wiązki lasera względem płaszczyzny matrycy kamery. Schemat działania skanera triangulacyjnego przedstawiono na rysunku 2.2 [Wężyk P., 2010], [Mikulski S., 2013], [Boroń A., et al., 2007]. Skanery triangulacyjne charakteryzują się zdecydowanie mniejszym zasięgiem oraz większą dokładnością (do setnych części milimetra) [Wężyk P., 2010], [Dubik P., 2010]. Rys Schemat działania skanera triangulacyjnego [Mikulski S., 2013] Podział skanerów triangulacyjnych: z podwójną kamerą składają się z dwóch kamer tworzących jedną wspólna bazę oraz z projektora światła (Rys. 2.3). Laser rzuca wiązkę światła na mierzony obiekt. Po odbiciu zostaje ona automatycznie zarejestrowana przez obie kamery. Dzięki znanym takim parametrom jak długość bazy, wzajemna orientacja kamer oraz skręcenie osi kamer względem bazy możliwe jest określenie współrzędnych (X, Y, Z) na podstawie wcięcia przestrzennego [Dubik P., 2010].

13 Rys Schemat funkcjonowania skanera triangulacyjnego z podwójną kamerą [Kaspar M., et al., 2007]. 13 z pojedynczą kamerą w tego typu skanerach bazę pomiarową stanowi odległość kameraźródło światła (Rys. 2.4). Na obiekt rzutowana jest w sposób dynamiczny wiązka lasera [Dubik P., 2010]. Rys Skaner triangulacyjny z pojedynczą kamerą [Kaspar M., et al., 2007] Zakres pola widzenia (FOV, ang. Field od View), względem którego dokonywana jest klasyfikacja skanerów, oznacza maksymalny pionowy i poziomy zasięg wiązki lasera, czyli różnicę pomiędzy największą a najmniejszą możliwą do pomierzenia wartością kąta. Zróżnicowanie zależy od zastosowanego systemu odchylenia wiązki lasera [Dubik P., 2010]. Ze względu na zakres pola widzenia skanery laserowe możemy podzielić na panoramiczne, hybrydowe oraz skanery typu kamera (Rys. 2.5): skanery panoramiczne, w których pole widzenia ograniczone jest tylko stanowiskiem instrumentu ze spodarką (Rys. 2.6). W tego typu skanerach zastosowane jest pojedyncze wirujące lustro, razem z którym wokół osi pionowej obraca się system pomiaru odległości. Stosowane są w obrazowaniach wewnętrznych, głównie cyfryzacji pomieszczeń i obiektów, inwentaryzacji zabytków, badaniu odkształceń urządzeń technicznych. Przykłady: Imager 5003 (ZOLLER & FRÖHLICH), CALLIDUS(CALIDUS PRECISION) [Staiger R., 2003]

14 14 Rys Podział skanerów laserowych ze względu na pole widzenia [Staiger R., 2003] Rys Ograniczenie pola widzenia skanera spowodowane stanowiskiem instrumentu [Leica Geosystems, 2013] skanery hybrydowe, w których jedna oś obrotu (zazwyczaj pionowa) pozostaje nieograniczona, podczas gdy druga, ze względu na wykorzystanie luster, jest ograniczona, np. do 60. Przykłady: GS 200 (MENSI), LMS Z 360 (RIEGL) [Staiger R., 2003], skanery typu kamera pole widzenia ograniczone w pionie i poziome, np. 60x60, porównywalne z kamerą fotogrametryczną. Posiadają dwa zsynchronizowane lustra jedno do ruchu w pionie, drugie w poziomie. W tego typu skanerach wiązka lasera przenika przez przezroczystą błonę o znanym współczynniku załamania. Charakteryzują się wysoką rozdzielczością kątowa skanowania, co w połączeniu z metodą impulsową daje dobry efekt przy skanowaniu na duże odległości. Przykłady: CYRA2500 (Leica), ILRIS 3D (Optech) [Dubik P., 2010], [Kaspar M., et al., 2004], [Staiger R., 2003].

15 Ze względu na zasięg występuje następujący podział skanerów laserowych: mikroskanery zasięg od kilkudziesięciu mikrometrów do kilku milimetrów, np. mikrotomograf. Charakteryzują się największą dokładnością i są stosowane w pomiarach, w których niezbędna jest najwyższa precyzja. skanery krótkiego zasięgu zasięg od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów. Są to głównie skanery stacjonarne, skanery ręczne, skanery triangulacyjne, które stosowane są m.in. do pomiarów eksponatów muzealnych lub jako kontrola procesu produkcyjnego. skanery średniego zasięgu zasięg od kilku do kilkuset metrów. Są to skanery przenośne i mobilne o stosunkowo dobrej dokładności, wykorzystywane przy pomiarach pomieszczeń. skanery dalekiego zasięgu zasięg od kilkuset metrów do kilku kilometrów. Wykorzystywane najczęściej w samolotach, promach kosmicznych i satelitach. Mimo najniższej dokładności ich ewidentną zaletą jest daleki zasięg [Dubik P., 2010] Tachimetry skanujące Skanowanie obiektu może zostać zrealizowane także przy pomocy innego urządzenia tachimetru skanującego. Instrumenty te wykonują pomiar z prędkością kilku punktów na sekundę, jednocześnie zapewniając dokładność pomiaru odległości na poziomie 2-3 mm (oraz dokładność pomiaru kątów ok. 3 ). Mimo uzyskiwania znacznie mniejszego zagęszczenia punktów w takim samym czasie pomiaru, dużą zaletą tachimetru skanującego jest jego zasięg ok m (u niektórych producentów wartość ta wynosi nawet 2000 m). Działanie instrumentu polega na zastosowaniu dalmierza bezlustrowego, serwomotorów (napędów kół poziomego i pionowego) oraz odpowiedniego oprogramowania, umożliwiającego sterowanie pracą tachimetru. Gęstość siatki skanowanych punktów ustawia się poprzez określenie kątów obrotu alidady i lunety. Dodatkowo podczas pomiaru można wykonać zdjęcia mierzonych obiektów, które posłużą później do nałożenia tekstury. Wprawdzie prędkość wykonywania pomiaru oraz liczba uzyskanych obserwacji przez oba urządzenia są nieporównywalne, jednak podczas realizacji pomiarów skanerem laserowym, nawet z dużą rozdzielczością, nie ma pewności, że wszystkie istotne punkty (np. na krawędziach) zostaną pomierzone. Tachimetry skanujące mają tę zaletę, że umożliwiają manualne pomierzenie kluczowych punktów metodą biegunową [Toś C., et al., 2010], [Toś C., 2012] Intensywność odbicia Poza współrzędnymi X, Y, Z chmury punktów skanery laserowe rejestrują także siłę sygnału powracającego do detektora. Jest to cecha, której nie posiadają tachimetry skanujące. Wartości intensywności odbicia przypisane są do chmury punktów w postaci składowych RGB lub skali szarości. Kolor niebieski oznacza silne odbicie, natomiast czerwony niskie albedo (stosunek ilości promieniowania odbitego do padającego) [Zaczek-Peplinska J., et al., 2012] [Kędzierski M., et al., 2010]. Parametr intensywności jest ściśle zależny od kąta padania wiązki lasera na mierzoną powierzchnię. Wraz ze wzrostem kąta padania promienia laserowego maleje siła sygnału trafiającego

16 16 do instrumentu. W przypadku, gdy wiązka jest bliska prostopadłości w stosunku do badanej powierzchni, można osiągnąć najkorzystniejsze wyniki skanowania. Wykazano, iż znaczącym czynnikiem jest także barwa skanowanego obiektu. Na najefektywniejsze pomiary pozwalają jasne kolory powierzchni oraz szare odcienie. Podczas gdy kolor czarny i czerwony cechują się słabym powracającym sygnałem [Soudarissanane S., et al., 2008]. Rodzaj materiału, z którego wykonany jest obiekt, również może mieć wpływ na wartość intensywności odbicia wiązki lasera, a tym samym na zasięg i efektywność pomiarów. Spowodowane jest to różną zdolnością odbijania i rozpraszania dla poszczególnych materiałów. Szczególnie utrudnione są pomiary szkła i powierzchni chromowanych ze względu na ich zdolność prostopadłego odbijania wiązki lasera oraz właściwości rozpraszające. Podczas skanowania konstrukcji betonowych i ceglanych konieczne może być zmniejszenie odległości skanera od obiektu oraz rozlokowanie większej liczby stanowisk. Materiałami o najkorzystniejszych właściwościach są drewno, PVC oraz powierzchnie lekko chropowate. Umożliwiają one skanowanie z dużego dystansu i pod większymi kątami. Słabą zdolność odbijania posiadają: aluminium (oprócz tego duża zdolność rozpraszania), skorodowana stal, a także bardziej chropowate i ciemne materiały. Występuje następująca zależność: im większe nierówności powierzchni i ostrzejsze kąty padania promienia lasera, tym mniejsza efektywność pomiarów. Większy zasięg pomiarów możliwy jest w przypadku dobrze odbijających, jasnych powierzchni, jednak tylko dla prostopadłego pomiaru. Ponadto, ze względu na wysoką czułość parametru intensywności odbicia na barwę, szorstkość oraz wilgotność materiałów, może być on źródłem cennych informacji na temat stanu materiału i wytrzymałości konstrukcji obiektu [Kędzierski M., et al., 2008]. W Tabela 2.1 zestawiono różne rodzaje materiałów wraz z charakterystycznymi dla nich współczynnikami odbicia. Tabela 2.1. Współczynnik odbicia dla poszczególnych materiałów przy fali długości 900 nm [Wehr A., 1999] Materiał Współczynnik odbicia (%) Tarcica (sosnowa, czysta, sucha) 94 Śnieg Biały mur 85 Wapień, glina do 75 Drzewa liściaste zazw. 60 Drzewa iglaste zazw. 30 Piasek węglanowy (suchy) 57 Piasek węglanowy (mokry) 41 Piasek plażowy; odkryte tereny pustynne zazw. 50 Chropowate palety drewniane (czyste) 25 Beton, gładki 24 Asfalt z kamykami 17

17 Rozdział III INWENTARYZACJA OBIEKTÓW ZABYTKOWYCH Z WYKORZYSTANIEM SKANINGU LASEROWEGO (PRZEGLĄD WSPÓŁCZESNYCH ROZWIĄZAŃ) 17 ZASTOSOWANIE NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO I PRZETWARZANIE DANYCH: INWENTARYZACJA I INSPEKCJA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH. opracowanie i redakcja: Alicja Byzdra, Jakub Szulwic

18 3. INWENTARYZACJA OBIEKTÓW ZABYTKOWYCH Z WYKORZYSTANIEM SKANINGU LASEROWEGO (PRZEGLĄD WSPÓŁCZESNYCH ROZWIĄZAŃ) 18 W świetle Ustawy z dnia 23 lipca 2003 r. o ochronie zabytków i opiece nad zabytkami (Dz. U Nr 162 poz. 1568) zabytki są obiektami, które stanowią świadectwo minionej epoki, a ze względu na ich wartość historyczną, naukową, czy też artystyczną, istotne jest ich zachowanie dla przyszłych pokoleń. Ochrona zabytków obejmuje m.in. kontrolę stanu ich zachowania oraz zapobieganie procesom niszczenia. Obiekty te narażone są na działanie wielu czynników niszczących, do których należą m.in.: wody opadowe, gruntowe oraz zawarte w nich sole i kwasy, czynniki biologiczne w postaci drobnoustrojów i roślinności zielonej, gwałtowne wahania temperatury oraz różnorodne czynniki mechaniczne [Gorecki P., et al., 2010]. W celu utrwalenia aktualnego stanu zabytków przeprowadza się ich inwentaryzację. Do niedawna powszechnie stosowaną metodą była fotogrametria bliskiego zasięgu. Jednak jej zastosowanie wymagało dobrego oświetlenia, a w przypadku pomiaru wysokich pomieszczeń konieczne było budowanie rusztowań, umożliwiających wykonanie zdjęć stereoskopowych z odpowiedniej odległości, co znacznie utrudniało i wydłużało proces pozyskiwania danych [Maciaszek J., 2008]. Obecnie, ze względu na gwałtowny rozwój technologii skaningu laserowego, do pozyskiwania danych o obiektach zabytkowych coraz częściej wykorzystuje się naziemne skanery laserowe. Zaletą obu wymienionych metod pomiaru jest brak konieczności bezpośredniego kontaktu z badanym zabytkiem, jednak zastosowanie TLS umożliwia skrócenie czasu opracowania oraz podniesienie dokładności otrzymanego modelu obiektu. Opracowania z użyciem naziemnego skaningu laserowego mają liczne przykłady w literaturze [Hejmanowska B., et al., 2015], [Kwoczynska B., et al., 2016]. Dokumentacja inwentaryzacyjna pozwala oceniać stan obiektu, planować konserwacje i modyfikacje, a przede wszystkim odtworzyć elementy obiektu w przypadku ich zniszczenia. Dla potrzeb konserwacji zabytków niezwykle cenna okazuje się możliwie najdokładniejsza inwentaryzacja wszelkich detali architektonicznych, pozwalająca na ich późniejsze odtworzenie, bądź zaplanowanie ich konserwacji. Inwentaryzacja tradycyjnymi metodami geodezyjnymi pozwala na opracowanie dokumentacji technicznej, na którą składają się rzuty dachu i kondygnacji oraz przekroje architektoniczne obiektu i rysunki elewacji. Nie daje jednak pełnej informacji o detalach obiektu. Instytucje ochrony zabytków przy wykonywaniu szczegółowych inwentaryzacji detali architektonicznych wspomagają się m.in. ręcznymi szkicami, dokumentacją opisową, fotograficzną czy odlewami. Niemniej nowe technologie, takie jak skaning laserowy czy fotogrametria, mogą okazać się bardzo przydatne i znacząco przyspieszyć proces inwentaryzacji i opracowania dokumentacji architektury obiektu, jak i detalu. Głównymi produktami skaningu laserowego obiektów zabytkowych są: chmura punktów będąca podstawowym produktem skanowania, składająca się ze zbioru punktów o znanych współrzędnych w układzie lokalnym lub dowolnie wybranym układzie współrzędnych przestrzennych, dodatkowo niosąca ze sobą informację o intensywności

19 odbicia i rzeczywistych kolorach pomierzonych punktów, otrzymanych ze zdjęć. Umożliwia wizualną analizę badanego obiektu, pomiary jego geometrii oraz porównanie położenia punktów chmury z płaszczyzną referencyjną (lub wybraną bryłą czy powierzchnią). Do najprostszych pomiarów należą np. określenie odległości między punktami lub między punktem a powierzchnią, ustalanie prześwitów, wskazywanie punktów wiążących oraz punktów najwyższych i najniższych czy tez tworzenie prostych przekrojów i profili. Bardzo przydatną funkcją jest też odczytywanie współrzędnych dowolnych punktów. Pozwala to na ocenę takich właściwości obiektu jak pionowość ścian, miejsce łączenia elementów, lokalizacja konkretnych obiektów etc. modele przestrzenne powstałe w wyniku procesu modelowania obiektu jedną z dwóch dostępnych metod: wpasowywania płaszczyzn i brył geometrycznych w wyselekcjonowane fragmenty chmury punktów lub zastosowania odpowiednich algorytmów do tworzenia siatek trójkątów. Umożliwiają wykonywanie pomiarów geometrii obiektów oraz tworzenie kolejnych produktów pochodnych. W procesie modelowania można wykonać model całego obiektu, ale też osobne modele fragmentów, np. modele elewacji. W procesie triangulacji utworzona siatka trójkątów wymaga zawsze dokładnej weryfikacji. Powinno się usunąć elementy odstające w nienaturalny sposób ewidentnie błędne. W wyniku tej redukcji powstają dziury, które wypełnia się następnie przy pomocy specjalnego algorytmu. przekroje pionowe i rzuty będące produktem pochodnym chmury punktów lub modeli przestrzennych. Powstają one na skutek przecięcia płaszczyzn modelowanego obiektu z płaszczyzną tnącą, zadaną na ustalonej wysokości. Przy czym, jeśli ściany są pochyłe, można na przekrojach zaznaczyć linie widokowe [Kościuk J., 2009]. W przypadku sporządzania przekrojów i rzutów bezpośrednio z chmury punktów wykonuje się obrysy zeskanowanych elementów. Przykładowe rzuty kondygnacji i elewacji zabytkowego budynku przedstawiono na rysunku ortoobrazy ścian, posadzek, sklepień i elementów ozdobnych, np. rzeźb obrazy przedstawiające wybrany fragment chmury punktów, posiadające cechy rzutu ortogonalnego (Rys. 3.2) [Kędzierski M., et al., 2009], [Pesci A., et al., 2014]. 19

20 a) b) 20 Rys Elementy dokumentacji a) przykładowy rzut kondygnacji, b) elewacji budynku zabytkowego [Vantan M., et al., 2009]. Rys Przykładowy ortoobraz ściany wewnętrznej budynku [GLOB-K&Z, 2015] Zastosowanie skaningu laserowego jako metody pomiaru pozwala na zarejestrowanie faktycznego i dokładnego stanu zabytku przed rozpoczęciem prac konserwatorskich oraz dostarcza precyzyjnych danych, niezbędnych do utworzenia dokumentacji architektonicznej i wykonania renowacji. Co istotne dla architektów, istnieje możliwość eksportu chmury punktów do środowiska CAD w celu wykonywania modeli, przekrojów, rzutów i kolejnych opracowań. W inwentaryzacji architektonicznej tworzy się również modele BIM (ang. Building Information Model) oraz wszelakie rekonstrukcje, nawet tak złożonych obiektów jak zamki średniowieczne i wizualizacje, zawierające w sobie obrazy panoramiczne wraz z informacją geometryczną. W przypadku, gdy skanowany zabytek przeznaczony jest do wyburzenia, a następnie odbudowy z wykorzystaniem współczesnych materiałów, produkty skaningu laserowego mogą być jedynym źródłem informacji o nieistniejącym już obiekcie. Dzięki dużej szczegółowości danych możliwe jest także wybudowanie takiego samego obiektu w innej lokalizacji, jeśli w poprzednim miejscu panowały warunki zagrażające konstrukcji zabytku [Bernat M., et al., 2014].

21 Produkty skaningu laserowego mogą być także źródłem danych do wykonywania analiz stanu konstrukcji obiektu zabytkowego, badania pionowości elementów oraz kształtu i struktury istniejących deformacji. Interpretacja wartości intensywności odbicia wiązki lasera umożliwia prowadzenie badań stanu konstrukcji oraz rodzaju i stopnia zużycia materiałów, z których wykonany został zabytek [Boehler W., et al., 2004]. Czułość tego parametru na barwę, chropowatość oraz wilgotność skanowanej powierzchni pozwala na przeprowadzanie wnikliwych analiz, w tym np. wykrywanie zawilgoceń budynku. Dodatkową informację o rodzaju materiałów niesie ze sobą także tekstura pochodząca ze zdjęć. Odwzorowanie chmury punktów w przestrzeni barwnej RGB ułatwia interpretację danych oraz wizualną ocenę stanu materiału pod względem występowania uszkodzeń [Kędzierski M., et al., 2008]. Duża rozdzielczość otrzymanej chmury punktów pozwala na precyzyjne wykrycie istniejących ubytków i pęknięć oraz ocenę ich wielkości. Po zamodelowaniu pomierzonych ubytków można obliczyć ich objętość, zmierzyć szerokość spękań oraz określić ich strukturę wewnętrzną. Na rysunku 3.3 przedstawiono przykładowy model uszkodzonej kolumny z widocznymi ubytkami [Kędzierski M., et al., 2008]. Co istotne z punktu widzenia badania obiektów zabytkowych, wykorzystanie skaningu laserowego do przeprowadzenia tego typu analiz umożliwia wykonanie badań obiektu w sposób bezkontaktowy i nieniszczący. 21 Rys. 3.3 Model uszkodzonej kolumny [Kędzierski M., et al., 2008] Jednym ze sposobów wizualizacji deformacji oraz defektów powierzchni płaskich może być mapa wgłębień (mapa deformacji), mająca postać zbliżoną do mapy hipsometrycznej, w której za pomocą odpowiednich kolorów oznacza się różnice głębokości powierzchni odniesione do płaszczyzny referencyjnej. Takie rozwiązanie pozwala na wykrycie wszystkich nieregularności występujących na płaskich powierzchniach. Przykładową mapę wgłębień przedstawiono na rysunku 3.4 [Kościuk J., 2009], [Pesci A., et al., 2014]. Należy podkreślić, iż wizualizacje oraz wyniki pomiaru skanerem laserowym oddają charakter tylko zewnętrznych uszkodzeń i deformacji obiektu. Ze względu na specyfikę metody pomiarowej, otrzymane dane mają charakter jedynie powierzchniowy, a ocenie podlega wyłącznie cienka zewnętrzna warstwa materiału. Z tego powodu pomiary skanerem powinny zostać rozszerzone o analizy strukturalne [Zaczek-Peplinska J., et al., 2012].

22 22 Rys Przykładowa mapa deformacji ścian budynku [Pesci A., et al., 2014] Wykrywanie rys i uszkodzeń elementów obiektu jest także możliwe poprzez wygenerowanie i analizę histogramów barw przedstawiających zależność wartości intensywności odbicia od liczby punktów. W tym celu można dokonać wizualnej oceny wystąpienia zmian koloru na histogramie lub przeprowadzić automatyczną analizę istniejących modyfikacji. Drugi wariant umożliwia wykrycie zmian na powierzchni obiektu w bardzo wczesnym stadium uszkodzenia. Przykładowy histogram intensywności odbicia, przedstawiony w skali Red-White-Blue w celu lepszej ekspozycji istniejących rys na belce żelbetowej, pokazany został na rysunku 3.5 [Nagrodzka-Godycka K., et al., 2014], [Janowski A., et al., 2014]. Rys Przykładowy histogram intensywności odbicia przedstawiony w skali Red-White-Blue obrazujący istniejące rysy na belce żelbetowej [Nagrodzka-Godycka K., et al., 2014]

23 Ponadto przedmiotem badań obiektów zabytkowych może być również pionowość elementów konstrukcyjnych, np. słupów. W [Zhou W., et al., 2014] opisano metodę badania pionowości kolumn zabytkowej wieży, polegającą na wykonaniu kolejnych przekrojów poprzecznych słupów o zadanej grubości (Rys. 3.6 a), a następnie zastosowaniu algorytmu wpasowywania elips w zbiory punktów brzegowych przekrojów każdej kolumny nieliniową metodą najmniejszych kwadratów (Rys. 3.6 b). Położenie osi filarów wyznaczone zostało przez połączenie środków uzyskanych elips, a z różnicy położenia punktów centralnych kolumn wyliczono kierunek ich wychylenia. Kierunek wychylenia poszczególnych słupów przedstawia się na rzucie kondygnacji za pomocą strzałek (Rys. 3.6 c). a) b) 23 c) Rys Analiza wychylenia słupów: a) przekrój poprzeczny kolumn budynku, b) wpasowanie elipsy w punkty brzegowe przekroju kolumny, c) wizualizacja kierunków wychylenia kolumn [Zhou W., et al., 2014].

24 Alternatywą dla powyższej metody jest wpasowanie okręgów (ze względu na prostotę interpretacji) lub dowolnych algorytmów aproksymujących kształt przekroju. Ze względu na stosunkowo małą dokładność wyznaczenia współrzędnych pojedynczego punktu przy pomiarach naziemnym skanerem laserowym nie stosuje się przekrojów poziomymi płaszczyznami. Celem zwiększenia dokładności wyznaczenia środka wpasowywanego okręgu bierze się pod uwagę również sąsiadujące punkty poprzez wykonanie cylindrycznych przekrojów o zdefiniowanej grubości. Położenie środków okręgów wpasowanych w kolejne przekroje może zostać przedstawione na wykresach (Rys. 3.7) [Janowski A., et al., 2015]. 24 Rys Położenie środków okręgów wpasowanych w kolejne przekroje [Janowski A., et al., 2015] W [Pesci A., et al., 2013] analizę kąta wychylenia osi wieży o okrągłym przekroju poprzecznym przeprowadzono poprzez wpasowanie powierzchni cylindrycznych we fragment (przekrój) chmury punktów o wysokości H znajdujący się u podstawy wieży, a następnie analogiczną procedurę przeprowadzono dla kolejnych fragmentów w kierunku szczytu wieży. Kąt nachylenia pojedynczego cylindra wyznaczany jest ze wzoru 3.1, a azymut kierunku wychylenia ze wzoru 3.2. Parametry wykorzystane we wzorach 3.1 i 3.2 przedstawiono na rysunku 3.8. cosθ L =b k (3.1) gdzie: b wektor jednostkowy osi cylindra, k wektor jednostkowy osi z układu współrzędnych, θ L kąt wychylenia osi cylindra. cos ϕ L = b xy ĵ b xy (3.2) gdzie: b xy rzut wektora b na płaszczyznę xy, ĵ wektor jednostkowy osi y układu współrzędnych wyznaczający kierunek północy,

25 ϕ L azymut kierunku wychylenia. 25 Rys Cylinder wpasowywany w chmurę punktów wraz z oznaczonymi parametrami [Pesci A., et al., 2014] Wykonywanie skaningu laserowego w regularnych odstępach czasu pozwala na badanie pojawiających się i postępujących odkształceń obiektu oraz uszkodzeń jego konstrukcji w wyniku działania niekorzystnych czynników zewnętrznych [Holden L., et al., 2015]. Poprzez zastosowanie modeli różnicowych lub wykonanie map deformacji odniesionych do tej samej płaszczyzny referencyjnej możliwe jest określenie przebiegu deformacji elementów obiektu oraz ich degradacji [Zygmunt M., et al., 2014], [Pesci A., et al., 2014]. Badanie zmian geometrii obiektu w czasie może zostać przeprowadzone również przy pomocy metody translacji sfer, w oparciu o okrągłe znaczniki umieszczone na elementach poddanych analizie. Podczas opracowywania skanów obiektu z kolejnych etapów pomiaru w krążki wpasowywane są sfery, transformowane następnie do wspólnego układu współrzędnych. W wyniku zastosowania metody translacji sfer otrzymujemy wektory przemieszeń poszczególnych punktów wyznaczone z różnicy współrzędnych środków wpasowanych sfer [Nagrodzka-Godycka K., et al., 2014], [Janowski A., et al., 2014].Analiza otrzymanej chmury punktów pozwala także na określenie wymiarów cegieł, z których obiekt został wykonany, oraz sposobu ich ułożenia. Ze względu na kolejne zmiany rozmiarów i rodzaju wytwarzanych cegieł wraz z biegiem historii, możliwe jest ustalenie czasu powstania danego obiektu zabytkowego [Płuska I., 2009], [Bernat M., et al., 2014], [Holden L., et al., 2015]. W przypadku skanowania budynków przeznaczonych do renowacji, zwłaszcza drewnianych, dodatkowe korzyści może przynieść ustalenie terminu przeprowadzenia pomiarów tak, aby zbiegł się w czasie z odsłonięciem ważnych elementów konstrukcyjnych przez konserwatorów zabytków. Taki zabieg może pozwolić np. na zeskanowanie odsłoniętej konstrukcji stropu czy ścian. Przykład odsłonięcia konstrukcji drewnianej wieży w wyniku wymiany poszycia, które umożliwiło pozyskanie ważnych danych dotyczących np. sposobu łączenia elementów drewnianych, przedstawiono na rysunku 3.9 [Bernat M., et al., 2014], [Rzonca A., 2004].

26 26 Rys Widok wieży z odsłoniętą konstrukcją [Rzonca A., 2004]

27 Rozdział IV DOKŁADNOŚĆ, METODOLOGIA I OGRANICZENIA TECHNIKI POMIAROWEJ 27 ZASTOSOWANIE NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO I PRZETWARZANIE DANYCH: INWENTARYZACJA I INSPEKCJA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH. opracowanie i redakcja: Alicja Byzdra, Jakub Szulwic

28 4. DOKŁADNOŚĆ, METODOLOGIA I OGRANICZENIA TECHNIKI POMIAROWEJ 4.1. Rozmieszczenie stanowisk w zależności od przewidywanej metody rejestracji Przed przystąpieniem do sesji pomiarowej należy zaplanować ją tak, by pomiary okazały się jak najbardziej efektywne. Jeśli mamy do czynienia z potrzebą cyklicznej kontroli obiektu, należy dobrać odpowiednią konfigurację lokalizacji stanowiska i punktów referencyjnych ze względu na potrzeby opracowania oraz możliwości sprzętowe [Van B. Genechten, et al., 2009]. 28 Pierwszym rodzajem konfiguracji jest zamocowanie skanera na stałej pozycji, w celu cyklicznego pomiaru wybranego fragmentu budowli. Ze względu na niezmienność położenia instrumentu, przy każdym pomiarze mamy do czynienia z tym samym układem odniesienia, nie potrzeba zatem dalszej konfiguracji poszczególnych chmur punktów. Konieczność pozostawienia skanera pociąga jednak za sobą stosunkowo duże koszty. Drugi sposób zakłada rozmieszczenie w stabilnych miejscach nieprzesuwalnych celów, które posłużą do orientacji kolejnych chmur punktów. Skaner ustawiany jest za każdym razem w przybliżeniu na tych samych pozycjach. Problemem może okazać się dobór odpowiednich miejsc na cele tak, by nie uległy one przemieszczeniu oraz by nie zniszczyć budowli. Ponadto trzeba zadbać, aby z sąsiednich stanowisk widoczne były minimum trzy niewspółliniowe znaczki, nie leżące na tej samej ścianie. Istnieje również możliwość umieszczania nowych celów dla każdego kolejnego skanowania. W tym wypadku ich lokalizacja określana jest za pomocą metod geodezyjnych w jednym, zdefiniowanym na początku układzie współrzędnych. Metoda ta charakteryzuje się jednak niewielką dokładnością. Można ją zastosować przy pomiarze budowli, w których odkształcenia są duże, np. zapór wodnych, ale dla mniejszych gabarytowo obiektów architektonicznych jest niewystarczająca. Ostatni sposób konfiguracji pomiaru, charakteryzujący się również niższą dokładnością, to brak zastosowania celów. By zorientować skany, wybiera się stałe elementy budynku, występujące w poszczególnych chmurach. W metodzie tej, nazywanej rejestracją chmura do chmury (ang. cloud to cloud), dużą rolę odgrywa zastosowanie wysokiej jakości algorytmów dopasowania. Warto zadbać o możliwe największe obszary wspólnego pokrycia stanowisk sąsiednich. Ułatwi to wytypowanie punktów dostosowania, dzięki którym zorientujemy skany, a także zwiększy dokładność orientacji dzięki lepszym parametrom orientacji (im dalej od siebie znajdują się punkty dostosowania, tym dokładniejsza będzie orientacja). Warto także zastosować dodatkowe doskanowanie w wysokiej rozdzielczości wybranych do połączenia elementów. Pozwoli to na etapie opracowania uzyskać większe prawdopodobieństwo wskazania tego samego punktu na obu łączonych chmurach punktów, a przez to uzyskać zadowalające wyniki połączeń. Elementy, które wybierzemy do połączeń powinny charakteryzować się łatwymi do zidentyfikowania punktami (np. ostre narożniki cegieł).

29 W przypadku analiz przeprowadzanych dla obiektów architektonicznych, w których przemieszczenia są stosunkowo niewielkie, najlepszym rozwiązaniem są dwie pierwsze metody konfiguracji. Gdy zaś zależy nam na zwiększeniu dokładności opracowania, warto jest dokonać kilkukrotnego skanowania tego samego elementu oraz stworzyć kombinację poszczególnych konfiguracji. Zastosowanie celów pozwoli określić dokładną miarę odkształcenia, zaś rejestracja chmur punktów bez użycia celów będzie efektywniejsza przy określaniu globalnego trendu odkształcenia i wskazywaniu ewentualnych krytycznych stref [Van B. Genechten, et al., 2009]. Tabela 4.1. Konfiguracja organizacji sesji pomiarowej [Van B. Genechten, et al., 2009] Konfiguracja Zalety Wady Skaner nieruchomy na trwałej, stałej pozycji 2. Cele zamocowane na stałe wewnątrz lub na konstrukcji 3. Cele tymczasowe cele zmierzone geodezyjnie i topograficznie względem tego samego układu współrzędnych, na nowo dla każdego ustawienia skanera 4. Stabilne elementy w chmurze punktów zastosowanie stabilnych, łatwych do modelowania elementów otaczających zamiast celów - wysoka dokładność, - niskie nakłady pracy - wysoka dokładność, - możliwość wielokrotnej rejestracji chmur punktów - brak konieczności montowania trwałych elementów na budowli (i jej ew. uszkodzeń), - cele nie ulegną przemieszczeniu - brak konieczności montowania trwałych elementów na budowli (i jej ew. uszkodzeń), - cele nie ulegną przemieszczeniu - wysokie koszty, możliwość kradzieży i uszkodzeń instrumentu, - konieczność doboru pozycji skanera tak, by nie uległa zmianie, - jeden skaner jest w stanie zarejestrować chmurę punktów tylko z jednego obszaru - niebezpieczeństwo, że cele ulegną zniszczeniu - złożony pomiar geodezyjny celów, - pracochłonność - brak możliwości absolutnego odniesienia, - niezbędna obecność stałych elementów w otoczeniu, - niska dokładność Autorzy prac, przytoczonych w rozdziale 3, opisują problemy występujące podczas laserowego skanowania zabytków. Pierwszym i najczęściej występującym problemem jest trudność w odpowiednim rozmieszczeniu stanowisk i tarcz HDS. Wnętrza obiektów są często ciasne i mają skomplikowaną geometrię, a ze względu na ich zabytkowy charakter nie pozwalają na swobodne rozmieszczanie sygnałów na ścianach i elementach wyposażenia z powodu ryzyka ich uszkodzenia [Laskowski P., et al., 2014], [Bernat M., et al., 2014], [Holden L., et al., 2015]. Ponadto, w przypadku podłoża wykonanego z wrażliwych materiałów, niemożliwe może się okazać zastosowanie statywu geodezyjnego ze względu na ryzyko uszkodzenia ostrymi zakończeniami nóg statywu. Znaczki identyfikacyjne należy umieszczać poza obiektem skanowanym, wykorzystując

30 okoliczne trwałe obiekty. Dzięki temu skanowany obiekt nie będzie przesłonięty, co pozwoli na jego pełniejszą rejestrację. Obecność dużej liczby znaczków może spowodować utratę części cennych informacji Dobór rozdzielczości 30 Istotny jest również dobór odpowiedniej rozdzielczości. Obowiązuje zasada, że czym większa rozdzielczość, tym lepsza aproksymacja powierzchni, jednak pomiary stają się bardziej czasochłonne. Należy także pamiętać, aby rozdzielczość nie była większa niż błąd pomiaru odległości między instrumentem a obiektem. Mamy wtedy bowiem do czynienia z tzw. nadmiarową ilością próbkowania, która nie zmniejsza wprawdzie dokładności, ale wpływa negatywnie na wygląd siatki w procesie modelowania powstaje bardzo dużo niewielkich, elementarnych powierzchni, tworzących ze sobą kąty ostre, co doprowadza do efektu szorstkości (Rys. 4.1) [Van B. Genechten, et al., 2009]. Ważne jest również aby, jeśli nie jest to konieczne, nie oddalać się zbytnio od obiektu, ponieważ wraz z oddalaniem się instrumentu od skanowanej powierzchni spada rozdzielczość skanu. a) b) Rys Przykładowe siatki dla rozdzielczości: a) 1 mm, b) 5 mm [Van B. Genechten, et al., 2009]. Niestety, w przeciwieństwie do tachimetru skanującego, skaner laserowy nie posiada funkcji manualnego pomiaru istotnych punktów metodą biegunową. Nawet przy zastosowaniu największej gęstości chmury nie można być pewnym, że wszystkie kluczowe punkty zostały zeskanowane. Powyższy problem występuje szczególnie podczas skanowania krawędzi Kąt padania wiązki lasera Istotnym elementem, który należy wziąć pod uwagę już na etapie planowania pomiarów jest kąt padania wiązki lasera na skanowane obiekty. Im ostrzejszy jest kąt, pod którym wiązka pada na powierzchnię, tym bardziej spada rozdzielczość, w której powierzchnia zostaje zarejestrowana. W przypadku obiektów zeskanowanych pod małym kątem da się zaobserwować, że nawet niewielkie zmniejszenie nominalnej rozdzielczości powoduje znaczny spadek ilości punktów pomierzonych na skanowanym obiekcie. Szczególnie widoczne jest to na skanach płaszczyzn równoległych lub zbliżonych do równoległych w stosunku do płaszczyzny horyzontu skanera. Spadek rozdzielczości

31 skanu może nastąpić również w przypadku powierzchni prostopadłych do płaszczyzny horyzontu skanera, a jednocześnie zlokalizowanych stosunkowo blisko skanera. Dobrym przykładem będą tu górne partie budynków znajdujących się w pobliżu skanera Szumy W otrzymanej chmurze punktów znajduje się bardzo dużo danych dotyczących skanowanego obiektu, ale również punkty należące do elementów przesłaniających, które znajdowały się na drodze wiązki lasera, oraz szumy. Wiele trudności podczas skanowania obiektów zabytkowych może wystąpić również ze względu na fakt, że zwykle cieszą się one dużym zainteresowaniem turystów. Napotkanie przez wiązkę lasera przemieszczających się osób może być powodem powstawania licznych szumów. Zachodzi zatem konieczność odfiltrowania zbędnych danych podczas wykonywania opracowania. Obecność szumów powoduje m.in. błędne utworzenie siatek trójkątów podczas modelowania powierzchni Martwe pola Podczas skanowania mogą wystąpić także tzw. martwe pola spowodowane wzajemnym przesłanianiem się skanowanych obiektów lub niesprzyjającymi warunkami pomiaru. Należy dążyć do eliminacji martwych stref już podczas kampanii pomiarowej, na bieżąco oglądając wykonane skany i korygując usytuowanie stanowisk lub dodając kolejne stanowiska tak, aby nie dopuścić do powstania stref pozbawionych skanowania. Nie zawsze jest jednak możliwe usytuowanie stanowisk tak, aby zeskanować wszystkie elementy obiektu. Podczas skanowania górnych partii elewacji oraz dachu budynku z poziomu terenu występują trudności z równomiernym pokryciem chmurą punktów. Istnieje ryzyko wystąpienia martwych pól na szczycie dachu. W celu uniknięcia tego problemu należy oddalić stanowisko skanera od obiektu lub, jeśli istnieje taka możliwość, zastosować skanowanie z większej wysokości, np. z dachów otaczających budynków [Holden L., et al., 2015]. Niestety gęsta zabudowa starówek miast, zaparkowane samochody oraz zatłoczona przestrzeń w sąsiedztwie zabytków mogą przysparzać problemów z rozlokowaniem stanowisk skanera w taki sposób, aby równomiernie zeskanować zewnętrzną część budynku [Laskowski P., et al., 2014] Dywergencja wiązki Na dokładność urządzeń skanujących bezpośredni wpływ ma precyzja pomiaru kątów i odległości. Czynniki te zależą od charakterystyki danego skanera oraz czynników zewnętrznych, począwszy od warunków atmosferycznych, przez własności samego promieniowania, po cechy mierzonego obiektu. Należy przede wszystkim zwrócić uwagę na zjawisko zwane dywergencją wiązki, polegające na tym, że promień lasera rozchodzi się kątowo, przyjmując na powierzchni obiektu okrągły bądź eliptyczny kształt. Średnica wiązki padającej na obiekt jest proporcjonalna do odległości od urządzenia emitującego. Jeśli mamy do czynienia z obiektem o nieregularnym kształcie (chropowata powierzchnia, poszarpane krawędzie), zarejestrowany sygnał powracający będzie stanowił średnią

32 odbitych impulsów, prowadząc do generalizacji pomiarów [Petrie G., 2009]. Teoretyczny limit dywergencji wiązki (ө) można przedstawia zależność 4.1 [Petrie G., 2009]. gdzie: d średnica wiązki lasera λ długość fali promieniowania ө 2,44λ/d (4.1) 32 Typowe wartości ө dla skanerów lotniczych osiągają wartości z przedziału <0,3; 2> [mrad]. Zjawisko dywergencji wiązki lasera obrazuje rysunek 4.2. Obszar (A) pokryty przez rozchodzącą się wiązkę lasera określa wzór: gdzie: d średnica wiązki lasera ө kąt dywergencji w radianach R zakres lasera A = π(θ/2.r+d)/2 (4.2) Rys Dywergencja wiązki lasera w drodze od nadajnika do powierzchni odbijającej [Petrie G., 2009] 4.7. Warunki atmosferyczne Skaning laserowy, wykorzystywany często w otwartych przestrzeniach, zależny jest również od warunków atmosferycznych. Niekorzystny wpływ na urządzenia mają przede wszystkim ujemne temperatury. Nie powinno się dopuszczać do sytuacji, w której różnica temperatury otoczenia i tej panującej wewnątrz urządzenia jest zbyt duża. Konkretne wartości zależą od danego modelu skanera. Z kolei promienie słoneczne mogą powodować zakłócenia pracy odbiornika powracającej wiązki laserowej, a co za tym idzie - błędy przy pomiarze odległości. Podczas wykonywania pomiarów powinno się również unikać opadów atmosferycznych, gdyż krople deszczu, działające jak soczewki, mogą powodować ugięcia promienia laserowego. Drobinki kurzu i wody znajdujące się w powietrzu

33 zwiększają ryzyko rozproszenia wiązki, a co za tym idzie zmniejsza się siła wyemitowanego sygnału [Petrie G., 2009] Szklane i błyszczące powierzchnie Podczas skanowania utrudniony jest także pomiar elementów szklanych ze względu na powstawanie prostopadłego odbicia wiązki oraz duże zdolności rozpraszające danych powierzchni [Kamiński W., et al., 2008], [Kędzierski M., et al., 2008]. Szyby okienne i witraże są szczególnym przykładem elementów podlegających skanowaniu w przypadku obiektów zabytkowych. Jako tak zwane przegrody transparentne (czyli przezroczyste bądź półprzezroczyste) powodują rejestrację punktów po odbiciu wiązki lasera od ich powierzchni z pewnym błędem. Wartość tego błędu zależy od wielu czynników, m.in. od grubości, przezroczystości, czystości czy struktury szyby. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo poprawnej rejestracji punktów znajdujących się na powierzchni szyb można zastosować specjalne przygotowanie tych powierzchni, np. okrywanie ich nieprzepuszczającymi wiązki lasera foliami, sprayami ziarnistymi itp. Powierzchnie błyszczące również stanowią problem dla urządzeń skanujących wykorzystujących wiązkę światła laserowego. W przypadku tego typu powierzchni często dochodzi do odbicia światła w nieodpowiednim kierunku lub rejestracji punktów z pewnym błędem, np. z przesunięciem. Z tego względu należałoby dążyć do wykonywania skanu danej powierzchni pod kątem możliwie zbliżonym do dziewięćdziesięciu stopni. Nie zawsze jest to niestety możliwe. Innymi metodami, które mogą poprawić jakość skanu powierzchni połyskliwych może być pokrycie ich pyłem zwiększającym chropowatość powierzchni (np. kredowym) Inne czynniki utrudniające przeprowadzenie pomiarów Kolejnym utrudnieniem jest często bardzo słabe oświetlenie wnętrz obiektów zabytkowych. Powoduje to konieczność korzystania z dodatkowego oświetlenia podczas pomiarów. Jeśli w czasie skanowania mają zostać wykonane zdjęcia w celu późniejszego nałożenia tekstury na chmurę punktów, bardzo ważna jest szczególna dbałość o to, aby pomieszczenia były oświetlone równomiernie ze względu na ryzyko prześwietlenia lub niedoświetlenia zdjęć [Bernat M., et al., 2014], [Rzonca A., 2004]. Dodatkowym ograniczeniem swobody wykonywania prac pomiarowych może być konieczność konsultowania ich przebiegu i terminu z konserwatorem zabytków [Laskowski P., et al., 2014]. Co więcej, wykonywanie skaningu laserowego powierzchni pokrytych polichromiami, może powodować ich uszkodzenie. Jest to spowodowanie reagowaniem wiązki lasera z pigmentami znajdującymi w warstwach farby. Zjawisko to może wystąpić niezależnie od długości fali lasera [Sobott R., et al., 2003], [Bernat M., et al., 2014]. Problemy przytoczone w niniejszym rozdziale omówiono szczegółowo na przykładzie skaningu laserowego konkretnych obiektów w dalszej części monografii.

34 34 Rozdział V NAZIEMNY SKANING LASEROWY WIELKOGABARYTOWEGO ZABYTKOWEGO OBIEKTU ARCHITEKTONICZNEGO DZIEDZIŃCA IM. JANA HEWELIUSZA ZASTOSOWANIE NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO I PRZETWARZANIE DANYCH: INWENTARYZACJA I INSPEKCJA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH. opracowanie i redakcja: Alicja Byzdra

35 5. NAZIEMNY SKANING LASEROWY WIELKOGABARYTOWEGO ZABYTKOWEGO OBIEKTU ARCHITEKTONICZNEGO DZIEDZIŃCA IM. JANA HEWELIUSZA 5.1. Opis środowiska pomiarowego Skanowany obiekt Skanowany obiekt, Dziedziniec Południowy im. Jana Heweliusza, jest częścią zabytkowego Gmachu Głównego Politechniki Gdańskiej, pochodzącego z początku XX wieku. Budynek został wybudowany w latach jako siedziba Królewskiej Wyższej Szkoły Technicznej (Konigliche Technische Hochschule zu Danzig). 35 Zewnętrzna architektura budynku utrzymana jest w stylu gdańskiego renesansu i charakteryzuje się ceglanymi fasadami oraz ozdobnymi elementami wykonanymi z piaskowca, w tym gzymsami, węgarami okiennymi oraz licznymi rzeźbami. Konstrukcja budynku (stropy oraz klatki schodowe) wykonana została z żelbetu, a jej całkowita wysokość nie przekracza 17 m. W środkowej części budynku, po obu stronach głównego holu, usytuowane są dwa bliźniacze dziedzińce o kształcie zbliżonym do kwadratu o bokach 24 m [Praca zbiorowa, 1908]. Jak podano w [Sawicki J., 1999], oba dziedzińce zabudowane były niskimi halami, które istniały w tym miejscu od 1930 roku. Elewacje dziedzińców również wykonano z piaskowca i czerwonej cegły, a ich powierzchnie pokryto licznymi rzeźbieniami. Na każdym z ozdobnych pilastrów umieszczono rzeźby, a ściany przylegające do klatek schodowych zwieńczono attykami. Podczas ostrzału artyleryjskiego terenu uczelni, mającego miejsce 26 marca 1945 roku, najbardziej zniszczony został Gmach Główny. W tym czasie spłonęła prawie cała środkowa część obiektu włącznie z rektoratem, aulą oraz biblioteką. Zawaliły się też wszystkie stropy w tylnej części budynku, a zniszczenia objęły łącznie ok. 60% obiektu. Widok fragmentu zniszczonego dziedzińca przedstawiono na rysunku 5.1. Rys Fragment dziedzińca po ostrzale artyleryjskim w 1945 roku [zbiory Sekcji Historycznej PG]

36 36 Odbudowę budynków uczelni rozpoczęto jeszcze w tym samym roku, jednak najdłużej trwała renowacja Gmachu Głównego. Dopiero cztery lata po ostrzale oddano do użytku odnowioną Aulę, a po upływie kolejnych dwóch lat Bibliotekę Główną wraz z parterową częścią budynku. W czasie odbudowy zmieniono nieco układ konstrukcyjny obiektu, w wyniku czego uległ zmianie wygląd wewnętrzny budynku. Jednak podczas kolejnych lat użytkowania obiektu wciąż dało się zaobserwować trudne do usunięcia zniszczenia spowodowane pożarem budynku i liczne niedociągnięcia w sposobie jego odbudowy. W połowie lat 90. przeprowadzono kompleksową inwentaryzację architektoniczną Gmachu Głównego, a następnie rozpoczęto wieloletnią modernizację oraz rewaloryzację budynku, który znalazł się w bardzo złym stanie technicznym [Ząbczyk-Chmielewska B., 2015], [Siemińska D., 2004], [Ciemnołoński J., et al., 2004]. W 2004 roku przystąpiono do zmiany zagospodarowania dziedzińców. Zlikwidowano stare hale, wykonano nowe posadzki oraz dobudowano przeszklone zadaszenia, otwartych wcześniej przestrzeni, składające się z łukowych konstrukcji kratownicowych o rozpiętości 22,5 m. Dachy dziedzińców pełnią przede wszystkim funkcję ochronną dla zabytkowych murów obiektu przed niekorzystnym wpływem warunków atmosferycznych oraz przed dostępem gołębi, których odchody działają niszcząco na elewacje zabytków. Po zakończeniu budowy dachu, na przełomie 2004 i 2005 roku, na Dziedzińcu im. Jana Heweliusza zainstalowano Wahadło Foucaulta o długości 26m [Kusz B., 2015], [Czabański W., 2005]. W 2011 roku w niszach okiennych na półokrągłej ścianie klatki schodowej zamontowane zostały reliefy wykonane ze stali nierdzewnej, przedstawiające wizerunek Jana Heweliusza oraz sekstant na tle obrotowej mapy nieba. Obecny wygląd dziedzińca przedstawiono na rysunku 5.2 [Marcińczyk Z., 2011]. Budynek Gmachu Głównego został wpisany do rejestru zabytków w dniu 30 kwietnia 1979 roku [Narodowy Instytut Dziedzictwa, 2015]. Rys Dziedziniec im. Jana Heweliusza [fot. Krzysztof Krzempek, zbiory PG]

37 Skanowanie Dziedzińca Południowego im. Jana Heweliusza przeprowadzono 27 maja oraz 3 czerwca 2015 r. Pierwszego dnia odnotowano temperaturę powietrza 16 o C, drugiego natomiast 20 o C. W czasie wykonywania pomiarów nie wystąpiły opady atmosferyczne Naziemny skaner laserowy Do przeprowadzenia pomiarów obiektu wykorzystano impulsowy skaner laserowy Leica ScanStation C10 (Rys. 5.3), który charakteryzuje się tzw. pełnym polem widzenia (360 o w poziomie oraz 270 o w pionie). Ze względu na charakterystykę wybranego obiektu i konieczność skanowania elementów znajdujących się ponad skanerem była to istotna cecha instrumentu. Urządzenie umożliwia wyznaczenie położenia punktów z dokładnością 12 mm oraz pomiar odległości z precyzją 8 mm. Według danych producenta maksymalny zasięg skanowania wynosi 300m (przy zdolności odbijania na poziomie 90%) oraz 134 m (przy 18% albedo). Dodatkowo instrument posiada wbudowany aparat cyfrowy charakteryzujący się wysoką rozdzielczością oraz automatycznym ustawianiem ostrości [Leica Geosystems Polska, 2015]. 37 Rys. 5.3 Skaner Leica ScanStation C10 na stanowisku pomiarowym Tarcze HDS Celem zwiększenia dokładności rejestracji skanów jako punkty wiążące wykorzystano czarnobiałe tarcze HDS dostarczone przez producenta. Wydrukowane fotopunkty oprawiono w szkicowniki geodezyjne (Rys. 5.4), co umożliwiło ich zawieszenie, oparcie o ścianę oraz rozłożenie płasko na posadzce. Powyższe rozwiązanie zwiększyło stabilność położenia fotopunktów oraz wyeliminowało problem niepłaskości kartki z wydrukowaną tarczą. Szkicowniki geodezyjne rozmieszczono w skanowanej przestrzeni tak, aby stanowiska mogły zostać połączone każde z wykorzystaniem

38 przynajmniej 4 wspólnych tarcz. Niniejszy podrozdział prezentuje autorski system rozlokowywania punktów wiążących [Byzdra A., Szulwic J., 2016]. a) b) Realizacja pomiaru Rys. 5.4 Czarno-biała tarcza HDS oprawiona w szkicownik geodezyjny a) oparta w pozycji pionowej, b) zawieszona Skanowanie wybranego obiektu przeprowadzono w dwóch etapach. Pierwszego dnia pomiarów skany wykonano z 6 stanowisk (oznaczonych symbolami ST 1 ST 6 na Rys. 5.5 z wykorzystaniem 11 tarcz HDS przy zastosowaniu średniej rozdzielczości skanowania. Dodatkowo z każdego stanowiska zeskanowano wszystkie widoczne tarcze z najwyższą rozdzielczością (Rys. 5.6). Rys. 5.5 Widoczna na wyświetlaczu skanera tarcza HDS zeskanowana z najwyższą rozdzielczością Drugiego dnia przeprowadzono skanowanie z 5 dodatkowych stanowisk, celem uzyskania chmury punktów w miejscach trudno dostępnych lub niemożliwych do zeskanowania pierwszego dnia. Dwa pierwsze stanowiska (ST 7, ST 8) ustawiono tak, aby możliwe było zeskanowanie fragmentów ścian zasłoniętych wcześniej przez przedmioty znajdujące się na dziedzińcu. Trzy pozostałe skany (ST 9 ST 11) wykonano z drugiego i trzeciego piętra przez okna wychodzące na dziedziniec.

39 Uzyskano w ten sposób doskanowane parapety, które nie były widoczne podczas skanowania z dołu, oraz ościeże na półokrągłej ścianie klatki schodowej niedostępne z poziomu parteru. Ze względu na nietypowe rozmieszczenie stanowisk i zbyt małe pokrycie pomiędzy skanami zdecydowano się na łączenie chmur metodą cloud to cloud. Pomiary wykonane podczas obu etapów skanowania uzupełniono o zdjęcia cyfrowe, które zostały wykonane wbudowanym aparatem cyfrowym, celem późniejszego nałożenia tekstury na otrzymaną chmurę punktów. Łączna liczba punktów pozyskanych ze wszystkich stanowisk skanowania wyniosła ok. 170mln. 39 Rys. 5.6 Schemat rozmieszczenia stanowisk skanera i tarcz celowniczych HDS 5.3. Ograniczenia metody pomiarowej Zastosowanie skaningu laserowego do pozyskiwania danych wiąże się z ograniczeniami związanymi ze specyfiką metody pomiarowej. W otrzymanej chmurze punktów znajduje się bardzo dużo danych dotyczących skanowanego obiektu, ale również punkty należące do elementów przesłaniających, które znajdowały się na drodze wiązki lasera, oraz szumy. Podczas opracowania zaszła konieczność odfiltrowania zbędnych punktów znajdujących się na elementach tymczasowego wyposażenia obiektu, nie będących elementami konstrukcyjnymi. Konieczne było także odfiltrowanie punktów powstałych podczas skanowania ruchomego wahadła Foucault a. Podczas skanowania występują także tzw. martwe pola spowodowane wzajemnym przesłanianiem się skanowanych fragmentów lub niesprzyjającymi warunkami pomiaru. W wielkogabarytowym obiekcie, jakim jest Dziedziniec Południowy, braki w danych są szczególnie widoczne na skanach wykonywanych z poziomu parteru w postaci martwych pól na skomplikowanych rzeźbach, wnękach i górnych partiach ścian dziedzińca. Nierównomierne pokrycie chmurą punktów

40 może mieć niekorzystny wpływ na późniejsze modelowanie rzeźb. Widoki martwych pól powstałych podczas skanowania obiektu przedstawiono w podrozdziale 5.6. Ograniczeniem tej metody pomiarowej może być także zakres pola widzenia skanera. Mimo pełnego pola widzenia skanera Leica C10 podczas skanowania nie udało się pozyskać informacji o głębokości studzienek świetlików ze względu na zbyt ostry kąt między padającą wiązką lasera a osią obrotu instrumentu (Rys. 5.9d). 40 Podczas skanowania utrudniony jest także pomiar szklanych elementów ze względu na powstawanie prostopadłego odbicia wiązki oraz duże zdolności rozpraszające danych powierzchni [Kamiński W., et al., 2008], [Kędzierski M., et al., 2008]. W opracowaniu danych ze skaningu laserowego dziedzińca szczególnie utrudniło to przeprowadzenie procesu filtracji ze względu na bardzo dużą liczbę okien znajdujących się w ścianach obiektu oraz przeszkloną konstrukcję dachu (Rys. 5.9b) Rejestracja Do przeprowadzenia rejestracji skanów wykorzystano oprogramowanie Leica Cyclone. Po zaimportowaniu do programu danych ze skanera manualnie wskazano tarcze HDS na każdym ze skanów, a następnie dokonano nałożenia tekstury, pochodzącej ze zdjęć wykonanych wbudowanym aparatem skanera, na poszczególne chmury punktów. Rejestrację wykonano metodą kombinowaną w oparciu o tarcze HDS oraz automatycznie dobierane punkty z chmury. Na początku połączono dwa pierwsze środowiska skanowania, a następnie do otrzymanej chmury punktów dołączono ScanWorld3. Dalsza rejestracja przebiegała analogicznie. Błędy rejestracji otrzymane na poszczególnych etapach przedstawiono w tabelach Tabela 5.1. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1 i ScanWorld2 Tarcza Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] Błąd grupowy [m] Grupowy wektor błędu [m] T1 SW1 SW2 0,001 (0,000; 0,000; 0,000) 0,001 (0,000; 0,000; 0,000) T2 SW1 SW2 0,001 (-0,001; 0,000; 0,000) 0,001 (-0,001; 0,000; 0,000) T3 SW1 SW2 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) T4 SW1 SW2 0,001 (0,000; -0,001; 0,000) 0,001 (0,000; -0,001; 0,000) Chmura SW1 SW2 0,001 0,010 0,001 0,010

41 Tabela 5.2. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-2 i ScanWorld3 Tarcza Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] Błąd grupowy [m] Grupowy wektor błędu [m] T5 SW1-2 SW3 0,001 (0,000; 0,000; -0,001) 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) T6 SW1-2 SW3 0,001 (0,000; 0,000; 0,001) 0,001 (-0,001; 0,000; 0,000) T7 SW1-2 SW3 0,002 (0,001; 0,000; -0,001) 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) T9 SW1-2 SW3 0,001 (0,000; -0,001; 0,001) 0,001 (0,000; -0,001; 0,000) Chmura SW1-2 SW3 0,001 0,012 0,004 0,012 Tabela 5.3. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-3 i ScanWorld4 Tarcza Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] Błąd grupowy [m] Grupowy wektor błędu [m] T0 SW1-3 SW4 0,002 (0,000; -0,001; -0,002) 0,001 (0,000; -0,001; 0,000) T5 SW1-3 SW4 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) T6 SW1-3 SW4 0,001 (0,000; -0,001; 0,001) 0,001 (0,000; -0,001; 0,000) T7 SW1-3 SW4 0,001 (0,000; 0,001; 0,001) 0,001 (0,000; 0,001; 0,000) Chmura SW1-3 SW4 0,001 0,011 0,001 0, Tabela 5.4. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-4 i ScanWorld5 Tarcza Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] Błąd grupowy [m] Grupowy wektor błędu [m] T0 SW1-4 SW5 0,002 (-0,002; 0,001; -0,001) 0,002 (-0,001; 0,001; 0,000) T1 SW1-4 SW5 0,002 (0,000; -0,002; -0,002) 0,002 (0,000; -0,002; 0,000) T3 SW1-4 SW5 0,002 (0,001; 0,000; 0,002) 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) T9 SW1-4 SW5 0,001 (0,000; 0,000; 0,000) 0,001 (0,000; 0,001; 0,000) Chmura SW1-4 SW5 0,001 0,012 0,002 0,012 Tabela 5.5. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-5 i ScanWorld6 Tarcza Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] Błąd grupowy [m] Grupowy wektor błędu [m] T1 SW1-5 SW6 0,001 (0,000; 0,001; 0,000) 0,001 (0,000; 0,001; 0,000) T2 SW1-5 SW6 0,001 (-0,001; 0,000; 0,000) 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) T3 SW1-5 SW6 0,002 (0,001; -0,001; 0,001) 0,001 (0,001; -0,001; 0,001) T5 SW1-5 SW6 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) T6 SW1-5 SW6 0,001 (0,000; 0,000; 0,001) 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) T7 SW1-5 SW6 0,001 (0,000; 0,000; -0,001) 0,001 (0,000; 0,000; -0,001) T9 SW1-5 SW6 0,001 (-0,001; -0,001; 0,000) 0,001 (-0,001; -0,001; -0,001) Chmura SW1-5 SW6 0,001 0,015 0,001 0,015

42 Tabela 5.6. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-6 i ScanWorld7 Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] SW1-6 SW7 0,000 0, Tabela 5.7. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-7 i ScanWorld8 Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] SW1-7 SW8 0,000 0,012 Tabela 5.8. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-8 i ScanWorld9 Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] SW1-8 SW9 0,001 0,012 Tabela 5.9. Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-9 i ScanWorld10 Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] SW1-9 SW10 0,001 0,013 Tabela Wyniki rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1-10 i ScanWorld11 Łączone środowiska skanowania (ScanWorld) Błąd RMS [m] Wektor błędu [m] SW1-10 SW11 0,001 0, Porównanie pokrycia elementów obiektu chmurą punktów Poprzez przeprowadzenie dodatkowego skanowania ze stanowisk rozmieszczonych na wyższych piętrach budynku uzyskano pokrycie chmurą punktów miejsc trudno dostępnych z poziomu parteru, m.in.: parapety (Rys. 5.7b), ościeże na zaokrąglonej ścianie klatki schodowej (Rys. 5.7d), elementy ozdobne pilastrów (Rys. 5.7f). Porównanie powyższych elementów przed i po dodatkowym skanowaniu przedstawiono na Rys Uzyskane chmury punktów pozwolą na dokładniejsze wymodelowanie wymienionych części obiektu.

43 a) b) 43 c) d) e) f) Rys. 5.7 Widok zeskanowanych elementów obiektu a), b) okno na trzecim piętrze budynku przed i po dodatkowym skanowaniu, c), d) ościeże na zaokrąglonej ścianie klatki schodowej przed i po dodatkowym skanowaniu, e), f) element ozdobny pilastra przed i po dodatkowym skanowaniu

44 5.6. Widoki martwych pól powstałych podczas skanowania obiektu a) b) 44 c) d) e) f)

45 g) 45 Rys a) - g) Widoki martwych pól powstałych podczas skanowania obiektu 5.7. Filtracja Uzyskaną chmurę punktów poddano procesowi filtracji. Manualnie usunięto błędne punkty powstałe przy skanowaniu szklanych powierzchni, poruszającego się wahadła Foucaulta oraz obiektów przypadkowych znajdujących się na drodze wiązki lasera. Widoki poszczególnych etapów opracowania chmury punktów przedstawiono na Rys Widok chmury punktów po zakończonej filtracji przedstawiono na rysunkach a)

46 b) 46 c) d)

47 e) f) 47 Rys a) f) Widoki poszczególnych etapów opracowania chmury punktów Rys Widok zewnętrzny opracowanej chmury punktów

48 48 Rys Widok fragmentu opracowanej chmury punktów Rys Widok fragmentu opracowanej chmury punktów

49 5.8. Opis środowiska modelowania Do wygenerowania wektorowego modelu 3D obiektu posłużono się oprogramowaniem CloudWorx dla AutoCAD, umożliwiającym pracę na chmurach punktów w środowisku CAD. Po zaimportowaniu ModelSpace View z programu Leica Cyclone oprogramowanie umożliwia wykonywanie przekrojów i rzutów obiektu, pomiary na chmurze punktów oraz modelowanie. Poza pakietem narzędzi AutoCADa do modelowania 2D i 3D, w zakładce CloudWorx znajdują się także narzędzia do automatycznego wpasowania następujących obiektów we wskazany fragment chmury punktów: obszar płaski (narzędzie patch), walec lub stożek (pipe) oraz kołnierz rury (flange). Podczas korzystania z funkcji patch użytkownik może określić maksymalny błąd średniokwadratowy wpasowania powierzchni płaskiej, a także wybrać kształt obrysu płaszczyzny zaznaczając opcję Minimum Rectangle lub Convex Hull (najmniejszy prostokąt lub wielokąt wypukły zawierający dany zbiór punktów) [Geometric Tools, 2015], [Wrocławski Portal Informatyczny, 2015]. W przypadku narzędzia pipe metodą najmniejszych kwadratów wpasowywana jest oś walca lub stożka wraz z jego podstawą. Istnieje także możliwość utworzenia odpowiedniej bryły lub automatycznego zwymiarowania średnicy podstawy. W programie dostępne jest także narzędzie do łączenia osi wpasowanych rur (connect). W celu wymodelowania bardziej skomplikowanych obiektów geometrycznych Cloudworx dla Autocad umożliwia wpasowanie płaszczyzny XY układu współrzędnych użytkownika w wybraną chmurę punktów i wykonywanie obrysów kolejnych przekrojów, aby następnie utworzyć między nimi powierzchnię, lub też automatyczne wpasowanie w przekrój linii, polilinii i łuków 2D [Leica Geosystems Polska, 2015] Realizacja modelowania Podczas opracowywania modelu obiektu przy użyciu funkcji opisanych w podrozdziale 5.8. wymodelowano płaszczyzny ścian, płaszczyznę posadzki, otwory okienne i drzwiowe oraz pilastry. Wykonano obrysy studzienek świetlików w płaszczyźnie podłogi oraz wycięto w niej otwory. Ze względu na brak informacji o głębokości studzienek, w opracowaniu pominięto modelowanie ich ścian i dna. Ponadto podczas opracowania modeli otworów okiennych usytuowanych w miejscach trudno dostępnych odnotowano niewystarczającą ilość danych do wymodelowania ościeży. W powyższych miejscach wykonano jedynie obrys otworu okiennego w płaszczyźnie ściany i dokonano wycięcia otworu (Rys. 5.16). Ze względu na przesłonięcie znacznego fragmentu posadzki stołem Wahadła Foucaulta, miejsce to pozostawiono niewymodelowane. Wykonany model obiektu przedstawiono na rysunkach

50 50 Rys Widok wykonanego modelu a) b) Rys a), b) Widoki wykonanego modelu po wygaszeniu przesłaniających elementów

51 51 Rys Rzut wykonanego modelu Rys Fragment ściany, na której nie wymodelowano niektórych okien a)

52 b) 52 Rys a), b) Widoki poszczególnych ścian obiektu a) b) Rys a), b) Widoki poszczególnych ścian obiektu

53 5.10. Ograniczenia metody modelowania Podczas modelowania obiektu natrafiono na ograniczenia oprogramowania CloudWorx dla AutoCAD, wykorzystywanego bez podłączania dodatkowych narzędzi oferowanych przez firmę Autodesk oraz narzędzi umożliwiających tworzenie siatek trójkątów. Opisano je w kolejnych podrozdziałach Modelowanie rzeźb oraz ozdobnych gzymsów Wykorzystane oprogramowanie umożliwia jedynie modelowanie za pomocą brył i powierzchni geometrycznych. Metoda ta sprawdza się w przypadku nieskomplikowanych elementów, jednak utrudnia pracę w zakresie modelowania nieregularnych kształtów, np. rzeźb czy ozdobnych detali, licznie występujących w obiektach zabytkowych. W celu wymodelowania powyższych elementów należałoby wygenerować siatkę trójkątów, jednakże program Cloudworx dla Autocad nie udostępnia stosownego narzędzia do tego celu. Ponadto, aby utworzyć siatkę, konieczne jest bardzo szczegółowe i równomierne pokrycie elementu chmurą punktów. Jak opisano w podrozdziale 5.3, po wykonaniu skanowania w miejscach trudno dostępnych na powierzchni rzeźb odnotowano występowanie tzw. martwych pól. Nasuwa się wniosek, iż ze względu na skomplikowanie oraz dużą szczegółowość obiektu dane ze skaningu laserowego nie są wystarczające, a do modelowania powyższych elementów należałoby wykorzystać modelowanie fotogrametryczne. 53 Ponieważ wykonane opracowanie ma posłużyć do celów inwentaryzacji, a wymienione elementy nie są elementami konstrukcyjnymi, w czasie wykonywania modelu pominięto je lub zastosowano uproszczenie Modelowanie niepłaszczyznowych elementów architektonicznych Dużą trudność przysporzyło także modelowanie otworów okiennych o skomplikowanym kształcie w zaokrąglonej ścianie dziedzińca, a w szczególności okien łukowych. Celem wycięcia łukowego otworu w płaskiej ścianie należałoby wykonać jego obrys na wpasowanej powierzchni. Natomiast w przypadku ścian o nieregularnym kształcie nie ma możliwości wpasowania płaszczyzny układu współrzędnych, na której można by przeprowadzić obrysowanie. Podczas modelowania podjęto próbę wykonania obrysu otworu w płaszczyźnie ościeżnicy, aby następnie posłużyć się narzędziem extrude, tworzącym powierzchnię o kształcie zadanym np. polilinią lub łukiem. Jednakże dodatkowym utrudnieniem, które uniemożliwia zastosowanie takiego rozwiązania, jest nachylenie powierzchni parapetów okiennych. Podjęto wielokrotne próby wpasowania płaszczyzn w nachylone powierzchnie parapetów. Za każdym razem nachylenie powstałych płaszczyzn znacznie odbiegało od właściwego położenia. Jest to problem znany i nie był on celem niniejszego opracowania.

54 Modelowanie rur oraz konstrukcji kratownicowej dachu Oprogramowanie Cloudworx dla Autocad udostępnia narzędzie służące do wpasowania w chmurę punktów powierzchni cylindrycznych oraz osobne narzędzie umożliwiające ich połączenie. Po zastosowaniu pierwszego z nich program wyznacza oś rury oraz powierzchnię walca. Zaś efektem skorzystania z funkcji connect jest połączenie osi rur, podczas gdy powierzchnie cylindryczne pozostają niepołączone. Rezultat takiej operacji przedstawiono na rysunku a) b) Rys Widoki elementów rurowych po zastosowaniu narzędzia connect a) widok szkieletowy, b) widok ukazujący powierzchnię wpasowanych brył Problematyczne okazało się także opracowanie konstrukcji kratownicowej dachu. Przy modelowaniu węzłów pojawił się wspomniany wcześniej problem łączenia cylindrów, ale nie było to jedyną napotkaną trudnością. Pas górny i dolny kratownicy są elementami wygiętymi w kształt łuku, podczas gdy oprogramowanie Cloudworx umożliwia wpasowanie cylindrów jedynie w elementy będące prętami prostymi. W pakiecie narzędzi programu Autocad znajduje się też funkcja sweep, przy zastosowaniu której można poprowadzić powierzchnię cylindryczną wzdłuż wyznaczonej krzywej, będącej osią rury. Jednak okrągły kształt przekroju poprzecznego elementów kratownicy nie daje sposobności do wpasowania płaszczyzny układu współrzędnych, na której można by wyznaczyć przebieg tej osi. Ze względu na brak dostępnych narzędzi w wykorzystanym oprogramowaniu rynny i konstrukcję dachu pominięto w opracowaniu modelu. Rozwiązaniem powyższych problemów może być użycie programów dedykowanych do projektowania skomplikowanych instalacji rurowych, np. Autocad Plant 3D [Procad, 2015].

55 Rozdział VI INWENTARYZACJA ZABYTKOWEGO BUDYNKU KUŹNI W GDAŃSKU ORUNII 55 ZASTOSOWANIE NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO I PRZETWARZANIE DANYCH: INWENTARYZACJA I INSPEKCJA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH. opracowanie i redakcja: Magdalena Bernat, Alicja Byzdra, Sławomir Rzepa, Jakub Szulwic

56 6. INWENTARYZACJA ZABYTKOWEGO BUDYNKU KUŹNI W GDAŃSKU ORUNII 6.1. Opis obiektu będącego przedmiotem pomiaru Rys historyczny i architektura 56 Obiektem podlegającym pomiarowi jest zabytkowy zespół domu podmiejskiego z kuźnią, znajdujący się w Gdańsku Oruni przy ul. Gościnnej 10. Ulica ta stanowiła niegdyś centralny plac wsi. Usytuowane wokół niego zostały najważniejsze zabytki osiedla: kościół św. Jana Bosko z 1823 r., Willa Wdowy Peters (obecnie poczta) oraz przedwojenny ratusz dzielnicy. Budynek kuźni zbudowany został w 1801 r. i do połowy lat 50-tych XX w. urzędował w nim kowal. Następnie, aż do ok r., pełnił funkcję mieszkaniową. W 1983 r. został wpisany do rejestru zabytków. Ze względu na pogarszający się stan obiektu oraz związane z nim plany rozpoczęcia działalności społecznej w styczniu 2012 r. przystąpiono do jego przebudowy oraz zmiany sposobu użytkowania. Inwestorem przedsięwzięcia był Gdański Zarząd Nieruchomości Komunalnych. Prace budowlanokonserwatorskie zakończyły się w maju 2012 r., zaś 13 października tego roku dokonano uroczystego otwarcia obiektu. Powstało w nim Centrum Aktywizacji i Innowacji Kuźnia, prowadzone przez Stowarzyszenie Inicjatyw Lokalnych Orunia. Pomiarów skanerem laserowym dokonano przed rozpoczęciem remontu. Budynek kuźni jest unikatowym obiektem zarówno dla Gdańska, jak i całego regionu. Stanowi on bowiem najmniejszy zachowany przykład żuławskiego domu podcieniowego. Obiekt zbudowany został w konstrukcji słupowo-ryglowej funkcję nośną pełnią tutaj elementy drewniane belki poziome, podwaliny i oczepy, między którymi są rozpięte belki pionowe słupy. Przestrzeń pomiędzy drewnem wypełniają cegły materiał niekonstrukcyjny, który ma stabilizować i usztywniać całość. Przed przeprowadzeniem remontu, w trakcie pomiarów, na ścianach parteru rysunek drewnianego szkieletu przykryty był warstwą białego tynku z widocznymi ubytkami odsłaniającymi cegły. Na szczytach drewniana konstrukcja była odsłonięta. Obiekt zlokalizowany jest kalenicą do drogi, zaś jego elementem dominującym jest niewielki podcień. Umiejscowiony został on niesymetrycznie, z prawej strony budynku. Posiada również konstrukcję szkieletową z wypełnieniem ceglanym. Podcień wysunięty jest ok. 4 m przed lico budynku. Na 3 kołowych słupach wspiera się niewielki, szeroki na ok. 3 m spichlerzyk. We frontowej jego części znajduje się otwór okienny. Wysokość podcienia równa jest kalenicy budynku. Pokryty jest on, podobnie jak pozostała część obiektu, dachem dwuspadowym z dachówkami. Lewa strona obiektu przylega bezpośrednio do budynku sąsiedniego zdecydowanie nowszego, pokrytego stropodachem.

57 57 Rys Budynek zespołu domu podmiejskiego z kuźnią przed remontem [Barański M., 2013] Funkcje obiektu. W budynku kuźni mieści się obecnie Centrum Aktywizacji i Innowacji Społecznej Kuźnia. Jest to miejsce zajmujące się kompleksowymi działaniami o wydźwięku społecznym, których celem jest ożywienie centrum Oruni i wzmocnienie jej oferty turystyczno-edukacyjnej, podniesienie poziomu ochrony środowiska i dziedzictwa kulturowego, przeciwdziałanie negatywnym zjawiskom społecznym wraz ze wzmocnieniem kapitału społecznego dzielnicy oraz wsparcie lokalnych organizacji pozarządowych oraz wypracowanie efektywnych form współpracy w ramach realizacji miejskiego programu rewitalizacji. Zagadnienia te planuje się osiągnąć poprzez kompleksowe odpowiednie jednostki stworzone w budynku Centrum: punkt informacyjny i przestrzeń muzealna w nawiązaniu do tradycji na terenie kuźni stworzono muzeum poświęcone kowalstwu oraz punkt informacyjny, mający przybliżać gościom historię dzielnicy oraz jej ofertę turystyczno-rekreacyjną; przestrzeń galeryjna i sala konferencyjna obszerne pomieszczenie na parterze oraz przestrzeń na poddaszu umożliwiają organizację ekspozycji zarówno sztuki tradycyjnej, jak i nowoczesnej, poza tym zaś jest to miejsce organizacji spotkań, wernisaży, koncertów i innych wydarzeń kulturalnych, kawiarnia na zapleczu obiektu powstał energooszczędny budynek; funkcjonuje w nim kawiarnia, prowadzona na zasadach ekonomii społecznej; celem jej stworzenia była próba integracji i aktywizacji mieszkańców dzielnicy oraz zainteresowania dzielnicą ludzi z zewnątrz,

58 warsztat i pokazy kowalskie planowane jest stworzenie warsztatu kowalskiego z kuźnią i pracownią, w celu organizacji spotkań i warsztatów o tematyce kowalskiej, w tym szkoleń z dziedziny kowalstwa artystycznego i metaloplastyki Ograniczenia metody pomiarowej 58 W grudniu 2011 roku przeprowadzone zostały pomiary kuźni metodą naziemnego skaningu laserowego w celu inwentaryzacji obiektu. Pomiarem objęto cały budynek, przeznaczony do wyburzenia, oraz jego otoczenie. Zły stan obiektu, m.in. częściowy brak posadzki, ograniczona nośność stropu oraz drgania obiektu, spowodowały liczne utrudnienia podczas wykonywania pomiarów. Podstawowym problemem okazało się rozmieszczenie tarcz HDS ze względu na bardzo ograniczoną przestrzeń wewnątrz obiektu. Jednakże ingerencja konserwatorów zabytków w stan budynku przed całkowitą rozbiórką umożliwiła zeskanowanie elementów konstrukcyjnych obiektu, które zostały odkryte Przygotowanie do opracowania wyników pomiaru Oprogramowaniu wykorzystane do opracowania chmury punktów Do opracowania chmury punktów został wykorzystany program Leica Cyclone 7.3. W celu otrzymania finalnego produktu, którym jest model 3D obiektu, przeprowadzono następujące czynności: przegląd skanów, wpasowanie tarcz, orientacja, filtracja i nałożenie na chmurę punktów zdjęć cyfrowych Przegląd skanów Pierwszym etapem opracowania chmury punktów jest przegląd wszystkich skanów oraz analiza ich przydatności do wykonania modelu. Należy ocenić, które tarcze mogą zostać wykorzystane jako punkty wiążące przy łączeniu chmur punktów oraz ile tarcz jest widocznych na każdym ze skanów. Tarczy, które znajdują się pod dużym kątem w stosunku do stanowiska skanera, oraz tych, które są przynajmniej w 50% zasłonięte, nie należy brać pod uwagę w opracowaniu. Poniższe tabele przedstawiają samodzielną analizę dokonaną podczas przeglądu skanów.

59 Tabela 6.1. Przegląd skanów wykonanych na parterze budynku. Nazwa pomieszczenia Nazwa stanowiska skanera Punkty widoczne ze stanowiska Pomieszczenie Punkty Parter Pokój 1 1, 2, 3, 4 Pokój 1 [1/3] 2 Kuchnia 7, 8 Pokój 2 5, 6 Kuchnia 7, 11, 10, 7/2, 6/2, 5/2 Kuchnia [1/2] 3 Komunikacja 15 Pokój 1 3, 4 Strych 4 Komunikacja 5/3, 4/2, 1/2, 15 Na zewnątrz 9, 25 Komunikacja [1/5] 4 Kuchnia 7, 11, 19a Łazienka 20, 3/2, 2/2 Kuźnia 14, 21a Łazienka 3/2, Łazienka [1/6] 5 Komunikacja 5/3, 4/2 Na zewnątrz 9 Kuźnia 16, 18, 12, 22a, 19, 14, 21a, 17 Kuźnia [1/7] 6 Komunikacja 1/2 Łazienka 3/2 Pokój 2 [1/4] Station-001 Pokój 2 5, 6 Pokój 1 1, 2 Kuchnia 7, 8, 11, 19a, 10, 5/2, 2/3, 3/3 Kuchnia [1/2] Station-004 Wiatrołap 12/2, 13 Pokój 1 3, 4 Pomieszczenie Pomieszczenie 11/2 Station-005 gospodarcze gospodarcze [1/8] Strych 20a Kuźnia 12, 22a, 14, 21a, 17, 16, 18 Kuźnia [1/7] Station-006 Pomieszczenie gospodarcze 11/2, 10/2 Na zewnątrz 23a, 4a Piwnica Station-017 Kuchnia X Pokój 2 [1/4] Station-018 Pokój 2 5, 6 Pokój Tabela 6.2. Przegląd skanów wykonanych na poddaszu budynku. Nazwa pomieszczenia Strych (koło schodów) Nazwa stanowiska skanera Pomieszczenie 9 Strych (koło komina) 7 10 Strych 11 Punkty widoczne ze stanowiska Pomieszczenie Punkty Poddasze Strych 16, 15, 4, 14, X, 5 Pomieszczenie 3, 2 Kuźnia 16, 18 Pomieszczenie 3, 2, 1, 20 Strych 14, 13 Strych X, 5, 14, 13, 15, 17, 18/2 Kuźnia 18 Strych 5, 16, 15, 17, 18/2 Kuźnia 18

60 Tabela 6.3. Przegląd skanów wykonanych na zewnątrz budynku. 60 Nazwa pomieszczenia Nazwa stanowiska skanera Punkty widoczne ze stanowiska Pomieszczenie Punkty Zewnętrze budynku Na zewnątrz (front) Station-008 Na zewnątrz 5a, 3a Na zewnątrz (pod pomieszczeniem ) Station-009 Na zewnątrz 4a, 24a, 7a, 5a, 3a, 6a Na zewnątrz (od strony bramy wjazdowej) Station-011 Na zewnątrz 7a, 5a, 3a Na zewnątrz (obok bramy wjazdowej) Station-012 Na zewnątrz 23a, 4a, 24a, 9, 12a, 6a Na zewnątrz Station-013 Na zewnatrz 2a, 1a, 12a, 24a, 4a, 8a, 10a, 9a Na zewnątrz 10a, 9a, 2a, 1a Na zewnątrz (obok Wiatrołap 12/2, 13 Station-014 wiatrołapu) Kuchnia 7 Piwnica X Wykrycie środków tarcz HDS Kolejnym etapem opracowania chmury punktów jest odszukanie tarcz HDS w chmurze punktów i wskazanie ich środka. Czynność ta polega na wskazaniu punktu blisko środka tarczy, którą chcemy dopasować. Następnie należy uruchomić funkcję identyfikacji tarcz w oprogramowaniu, gdzie wybieramy typ tarczy oraz wprowadzamy identyfikator i ewentualny komentarz. Ważne jest, aby dany punkt na różnych skanach miał ten sam identyfikator. W czasie skaningu omawianego obiektu wykorzystane zostały kartki A4 z nadrukowaną czarno-białą tarczą. Każda z tych tarcz posiadała numer w celu ułatwienia ich identyfikacja. Z powodu powtarzania się wydrukowanych numerów tarcz, w celu rozróżnienia używano ukośnika i kolejnej cyfry. Jako, że skanowany obiekt jest stosunkowo złożony, wprowadzono także literowe rozróżnienie dla tarcz znajdujących się: na parterze d, na poddaszu g na zewnątrz budynku z. Rys Przykład tarczy wykorzystanej w opracowaniu

61 6.4. Orientacja Kolejnym etapem opracowania jest orientacja, czyli proces łączenia wielu skanów do wspólnego układu współrzędnych. Odbywa się to przy zastosowaniu systemu powiązań, którymi są punkty znajdujące się jednocześnie na dwóch lub większej liczbie skanów. W opracowaniu zostały wykorzystane następujące typy orientacji: przy użyciu tarcz oraz orientacja parami metodą cloud to cloud Chmura do chmury W tym wypadku mamy możliwość jednoczesnej orientacji tylko dwóch chmur. Ten typ orientacji używa algorytmu identyfikacji kształtów do połączenia chmur z różnych stanowisk. Należy załadować dwa skany, które pokrywają się w minimum 20%. Następnym krokiem jest wskazanie na każdym ze skanów co najmniej 3 punktów dopasowania (czyli tych samych punktów na obu skanach) i uruchomienie procedury dopasowania. Jakość dopasowania zależy od jakości użytych powiązań oraz od gęstości chmury punktów w obszarze pokrywania się skanów. W opracowaniu, przy pomocy algorytmu chmura do chmury zostały połączone dwie pary skanów. Było to spowodowane zbyt małą liczbą wspólnych tarcz pomiędzy tymi skanami. Poniższe tabele przedstawiają wyniki orientacji chmura do chmury. 61 Tabela 6.4. Wyniki wyrównania dla pierwszej pary (Kuchnia + Piwnica) Skan nr 1 Skan nr 2 RMS Średnia kwadratowa (m) Średni a (m) Min (m) Max (m) Status wyrównani a 3 Station-017 0,006 0,002 0,000 0,099 Wyrównane Tabela 6.5. Wyniki wyrównania dla pierwszej pary (Kuźnia + Pomieszczenie gospodarcze) Skan nr 1 Skan nr 2 RMS Średnia kwadratowa (m) Średni a (m) Min (m) Max (m) Status wyrównania Station- 005 Station-006 0,014 0,008 0,000 0,099 Wyrównane Określenie Wyrównane (ang. aligned) w ostatniej kolumnie tabeli wskazuje, że wyrównanie zostało wykonane w sposób zadowalający i powiązania chmur wiążą wszystkie sześć stopni swobody (trzy kierunki przesunięcia i trzy kąty obrotu) pomiędzy dwoma skanami Przy użyciu tarcz Orientacja przy pomocy tarcz przebiega w pełni automatycznie, dzięki wcześniejszemu ich wpasowaniu. Program Leica Cyclone podczas procesu rejestracji przeszukuje skany w poszukiwaniu punktów wiążących o takich samych etykietatch orientacji. Program automatycznie tworzy pary powiązań z wcześniej zidentyfikowanych punktów wiążących. W omawianym przypadku jako, że opracowanie jednocześnie całego budynku wymagałoby dużej mocy obliczeniowej

62 komputera, podzielono proces orientacji na cztery etapy. W pierwszej kolejności zorientowano punkty osobno dla parteru, osobno dla poddasza i osobno punkty zlokalizowane na zewnątrz budynku. W kolejnym etapie połączono te trzy części w całość. Poniższe tabele przedstawiają raport z procesu rejestracji trzech pierwszych części. Tabela 6.6. Raport z rejestracji punktów na parterze 62 Punkt Scan 1 Scan 2 Błąd (m) Błąd wektorowy (m) 8d 2 Station-004 0,002 (0,001; 0,002; 0,001) 7d 2 4 0,003 (-0,003;- 0,001; 0,001) 7d 2 Station-004 0,002 (0,001; 0,001; 0,000) 7d 2 3+ Station-017 0,002 (0,001; -0,001; 0,000) 6d 2 Station-001 0,001 (0,000; 0,000; 0,000) 6d 2 Station-018 0,001 (0,001; -0,001; 0,000) 5d 2 Station-001 0,001 (0,000; 0,000; 0,000) 5d 2 Station-018 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) 4d 2 Station-004 0,001 (0,000; 0,000; -0,001) 4d 2 3+ Station-017 0,001 (-0,001; 0,001; 0,000) 3d 2 Station-004 0,001 (0,000; -0,001; -0,001) 3d 2 Station-018 0,002 (-0,002; 0,000; -0,001) 3d 2 3+ Station-017 0,001 (-0,001; 0,000; -0,001) 2d 2 Station-001 0,001 (0,001; 0,000; -0,001) 1d 2 Station-001 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) 21ad 4 6 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) 21ad 4 Station-005+ Station-006 0,001 (-0,001; -0,001; 0,000) 14d 4 6 0,002 (0,002; 0,000; 0,000) 14d 4 Station-005+ Station-006 0,001 (-0,001; 0,000; 0,000) 15d 4 3+ Station-017 0,003 (-0,001; 0,002; 0,000) 3/2d 4 5 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 3/2d 4 6 0,001 (0,000; 0,000; 0,000) 19ad 4 Station-004 0,005 (-0,004; -0,002; -0,003) 11d 4 Station-004 0,003 (-0,003; 0,000; 0,000) 11d 4 3+ Station-017 0,003 (-0,003; 0,002; 0,000) 7d 4 Station-004 0,004 (0,004; 0,002; -0,001) 7d 4 3+ Station-017 0,005 (0,004; -0,001; -0,001) 1/2d 4 6 0,001 (-0,001; 0,000; 0,000) 4/2d 4 5 0,001 (0,001; 0,000; -0,001) 9z 4 5 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 5/3d 4 5 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 3/2d 5 6 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 21ad 6 Station-005+ Station-006 0,002 (-0,002; 0,000; -0,001) 17d 6 Station-005+ Station-006 0,003 (-0,003; 0,000; 0,000) 22ad 6 Station-005+ Station-006 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) 12d 6 Station-005+ Station-006 0,001 (0,001; -0,001; 0,000) 18g 6 Station-005+ Station-006 0,006 (0,006; 0,000; 0,001) 16d 6 Station-005+ Station-006 0,003 (0,003; 0,001; 0,000) 14d 6 Station-005+ Station-006 0,003 (-0,003; 0,000; 0,000) 6d Station-001 Station-018 0,001 (0,001; -0,001; 0,000) 5d Station-001 Station-018 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) 3d Station-004 Station-018 0,002 (-0,001; 0,001; 0,000) 3d Station Station-017 0,001 (-0,001; 0,001; 0,000) 7d Station Station-017 0,003 (0,001; - 0,003; 0,000) 5/2d Station Station-017 0,002 (0,001; 0,001; 0,002) 11d Station Station-017 0,002 (0,000; 0,002; 0,000) 10d Station Station-017 0,002 (-0,002; 0,001; 0,000) 4d Station Station-017 0,001 (0,000; 0,000; 0,001) 3d Station Station-017 0,001 (0,001; 0,000; 0,000)

63 63

64 Tabela 6.7. Raport z rejestracji punktów na poddaszu 64 Punkt Scan 1 Scan 2 Błąd (m) Błąd wektorowy (m) 15g ,002 (-0,002; 0,000; 0,000) 15g ,002 (-0,002; 0,001; 0,000) 14g ,004 (0,004; - 0,001; - 0,001) 14g ,003 (0,002, - 0,001; -0,002) 13g ,002 (-0,002; 0,001; 0,000) Xg ,003 (0,003; -0,001; 0,000) 18g ,001 (-0,001; 0,000; 0,000) 18g ,002 (-0,002; 0,000; 0,001) 18/2g ,002 (0,001; 0,000; 0,001) 17g ,001 (0,001; 0,000; 0,001) 5g ,001 (-0,001; 0,000; 0,000) 5g ,002 (-0,002; 0,000; 0,000) 5g ,001 (-0,001; -0,001; 0,000) 18g ,002 (-0,001; 0,000; 0,002) 15g ,001 (0,000; 0,001; 0,000) 16g ,001 (0,000; 0,001; 0,000) 3g 7 9 0,002 (0,000; 0,000; 0,001) 14g 7 9 0,002 (-0,001; 0,000; -0,001) 2g 7 9 0,001 (0,000; 0,000; 0,001) Tabela 6.8. Raport z rejestracji punktów zlokalizowanych na zewnątrz budynku Punkt Scan 1 Scan 2 Błąd (m) Błąd wektorowy (m) 5az Station-008 Station-011 0,002 (0,002; 0,000; -0,001) 3az Station-008 Station-009 0,002 (-0,002; 0,000; 0,000) 3az Station-008 Station-011 0,002 (-0,002; 0,000; 0,001) 5az Station-008 Station-009 0,002 (0,002; 0,000; 0,000) 5az Station-009 Station-011 0,001 (0,000; 0,000; -0,001) 24az Station-009 Station-012 0,001 (0,000; 0,000; 0,001) 6az Station-009 Station-012 0,000 (0,000; 0,000; 0,000) 4az Station-009 Station-012 0,001 (0,000; 0,000; 0,001) 4az Station-009 Station-013 0,002 (0,000; 0,000; -0,002) 3az Station-009 Station-011 0,001 (-0,001; 0,000; 0,001) 7az Station-009 Station-011 0,001 (0,001; 0,000; 0,000) 23az Station-012 Station-013 0,005 (0,000; -0,001; 0,005) 4az Station-012 Station-013 0,003 (0,000; 0,000; -0,003) 2az Station-013 Station-014 0,002 (0,000; 0,000; 0,002) 10az Station-013 Station-014 0,001 (-0,001; 0,000; 0,001) 9az Station-013 Station-014 0,006 (-0,001; 0,001; -0,006) 1az Station-013 Station-014 0,003 (0,002; -0,001; 0,003) Poniższa tabela przedstawia raport z procesu połączenia otrzymanych części w całość. Tabela 6.9. Raport z połączenia skanów z poszczególnych części w całość Punkt Scan 1 Scan 2 Błąd (m) Błąd wektorowy (m) Xd Parter Zewnętrze 0,001 (0,000; 0,001; 0,000) 12/2d Parter Zewnętrze 0,002 (-0,002; 0,000; 0,000) 13d Parter Zewnętrze 0,001 (0,000; 0,001; 0,000) 7d Parter Zewnętrze 0,002 (0,002; -0,002; 0,000) 18g Poddasze Parter 0,002 (-0,001; 0,001; 0,000) 16d Poddasze Parter 0,002 (0,001; 0,000; -0,001) 4g Poddasze Parter 0,001 (0,000; -0,001; 0,001)

65 6.5. Filtracja i nałożenie tekstury pochodzącej ze zdjęć cyfrowych Po zakończeniu rejestracji otrzymano model wraz z dużą ilością zbędnych punktów, np. na obiektach znajdujących się w pobliżu kuźni. W modelu pozostawiono jedynie bryłę obiektu, a resztę punktów przeniesiono na inna warstwę. W ten sposób nie utracono zbędnych punktów, a jedynie je ukryto. Barwy otrzymanego w wyniku rejestracji modelu obrazują współczynnik odbicia wiązki lasera od obiektu. 65 Rys Obiekt przedstawiony w barwach intensywności odbicia wiązki lasera W celu przedstawienia modelu w barwach zbliżonych do rzeczywistych wykorzystano zdjęcia wykonane przez skaner zaraz po zakończeniu skanowania. Rys Obiekt przedstawiony w barwach rzeczywistych

66 6.6. Inwentaryzacja obiektu na podstawie danych pozyskanych z naziemnego skaningu laserowego 66 W niniejszym rozdziale skany obiektu poddane zostały szeregowi analiz w celu określenia jego parametrów, w tym oceny deformacji. W pierwszej kolejności analizie poddano frontową ścianę podcienia, w której w sposób widoczny występowały odchyłki od pionu. W tym celu wybrano pojedynczy skan frontowej ściany (ScanStation 011). W przestrzeni ModelSpace skopiowany został fragment chmury punktów, na którym badany obiekt występował, następnie zaś przeniesiono go do nowego ModelSpace. Przekopiowany fragment oczyszczono z punktów niebędących przedmiotem opracowania, pozostawiając wyłącznie elementy ściany. W celu ułatwienia pracy ustalono układ współrzędnych odpowiadający orientacji ściany. Dzięki możliwości wskazania w przestrzeni ModelSpace poszczególnych punktów (Multi-Pick Mode) oraz rysowania między nimi linii (From Pick Points Line Segment) uzyskano dokładny obrys szkieletu obiektu. Zaznaczono punkty przecięcia wszelkich belek, słupów i rygli. By ułatwić dalsze opracowanie, wyłączono wybieralność oraz widoczność chmury punktów, pozostawiając tylko linie konstrukcyjne (Rys. 6.5). Rys Schemat szkieletu konstrukcji w programie Leica Cyclone po wyłączeniu widoczności chmury punktów W programie Leica Cyclone istnieje możliwość dokonywania pomiarów kątów oraz odległości, jednakże o wiele efektywniejsze jest przeniesienie uzyskanego modelu w formacie.dxf do programu typu CAD, gdzie tego typu operacje wykonywane są z większą dokładnością. W programie AutoCAD schemat elewacji jeszcze raz obrysowano, dokonując pewnych generalizacji w przypadku niewielkich nierówności oraz ewentualnych nieciągłości, a następnie model zwymiarowano (Rys. 6.7). W trakcie opracowania elewacji skorzystano również z możliwości pomiaru lokalnych odkształceń elementów od pionu i poziomu, a także przeanalizowano wielkość ubytków materiału. (Rys. 6.6)

67 67 Rys Pomiary szczegółowe w programie AutoCAD: a) określenie wielkości ubytków w drewnie; b) pomiar odchylenia słupa od pionu Rys Elewacja ściany frontowej podcienia

68 Pomiar pionowości ściany 68 Pochylenie części szczytowej ściany frontowej ku przodowi widoczne jest już na pierwszy rzut oka (Rys. 6.8). By zobrazować jego rozmiary, posłużono się pionową płaszczyzną odniesienia (Reference Plane), którą ustalono jako przylegającą do dolnej krawędzi bryły podcienia. Aby tego dokonać, należało przede wszystkim za pomocą wskazania odpowiednich punktów na chmurze zadać lokalny układ współrzędnych (View Coordinate System Set from Points...) z płaszczyzną YZ przylegającą do dolnego fragmentu podcienia, a kierunkiem X prostopadłym do niego. Następnie wybranie funkcji Tools Reference Plane Set to Y-Z Plane spowodowało wstawienie płaszczyzny odniesienia w odpowiednim miejscu. Obrót wokół osi Z pozwolił zaobserwować ogólną tendencję odkształcenia szczytowe partie podcienia w sposób znaczący odstawały od zadanej powierzchni. Rys Przekrój budynku obrazujący wychylenie frontowej ściany podcienia Ze względu na znaczne odchylenia zdecydowano się na przeprowadzenie dokładniejszych pomiarów. Funkcja Virtual Surveyor (Wirtualny Geodeta) umożliwia rozmieszczenie wielu punktów w przestrzeni modelu oraz uzyskanie zestawienia ich współrzędnych. Z poszczególnych punktów utworzono siatkę pokrywającą w regularny sposób badaną ścianę, przy czym istotne było zachowanie jednolitej powierzchni dla lokalizacji punktów, gdyż ceglane wypełnienie charakteryzowało się większą wypukłością niż drewno. Drewniany szkielet posiadał też stosunkowo mniej ubytków niż cegła,

69 przede wszystkim zaś była to konstrukcja nośna obiektu, dlatego to jego użyto do analizy. Aby uniknąć konieczności późniejszej transformacji punktów do układu ściany, już w programie zadano odpowiedni układ współrzędnych, w którym skrajny lewy punkt z sieci pomiarowej otrzymał wartość (0,0,0), oś X wyznaczały lewy i prawy punkt najniższej warstwy, oś Z skierowana była pionowo, zaś oś Y zadana była prostopadle do teoretycznej powierzchni ściany, prezentując odchylenia od pionu. 69 Rys Założona sieć pomiarowa Proces uzyskiwania współrzędnych punktów można by przyrównać do pomiaru tachimetrycznego, stosowanego w badaniach pionowości ściany, z ta tylko różnicą, że opracowywanie danych ze skaningu umożliwiało wybór spośród bardzo dużej ilości punktów (blisko 200 tys.), podczas gdy przy pomiarach tachimetrem konieczne jest zdefiniowanie stosunkowo niewielkiej liczby punktów już w terenie. Pozyskane dane eksportowano do formatu.txt, następnie w programie AutoCAD opracowano model pionowości ściany (Rys. 6.10). Współrzędne X i Z zaimportowano do programu, aby otrzymać dokładne odwzorowanie sieci pomiarowej, zaś współrzędną Y zaznaczono w formie odpowiednich symboli jako określenie odchyleń punktów pomiarowych od pionu.

70 Tabela Wykaz otrzymanych współrzędnych kolumna Y odpowiada odchyleniom od pionu 70 Nr punktu X [m] Z [m] Y [m] 1 0,00 0,00 0, ,46-0,01 0, ,93-0,03 0, ,51-0,06 0, ,14-0,09 0, ,60-0,13 0, ,12-0,16 0, ,00 1,15 0, ,43 1,15-0, ,90 1,13-0, ,19 1,04-0, ,69 1,03-0, ,14 1,01-0, ,00 2,09-0, ,37 2,07-0, ,89 2,03-0, ,52 0,77-0, ,56 2,01-0, ,20 1,96-0, ,74 1,90-0, ,14 1,87-0, ,95 3,06-0, ,58 3,03-0, ,24 2,96-0, ,69 3,98-0,182

71 Rys Wykres wychylenia ściany frontowej od pionu 71

72 Pomiar prześwitów pod podcieniem 72 Funkcja pomiaru prześwitów stosowana jest zazwyczaj przy opracowaniach drogowych, w związku z inwentaryzacją tuneli. W analizowanym budynku wykorzystano ją z kolei do pomiaru wysokości podcienia prześwity pionowe. W celu określenia niezbędnych parametrów konieczne było użycie ModelSpace (Station 008) bez wyczyszczonego otoczenia, gdyż powierzchnię odniesienia stanowiło w tym wypadku podłoże. Na tej powierzchni należało za pomocą dwóch punktów zadać kierunek ruchu (w danym przypadku od frontu do wnętrza podcienia), następnie zaś, również poprzez wskazanie par punktów, określić zakres prześwitu od dołu do góry. Wszelkie linie na dolnej powierzchni określane są mianem linii pasa (Lane), zaś górne krawędzie to krawędź podejścia (Approach dla linii bliższej frontowi) i krawędź odejścia (Departure dla linii bardziej odległej). Wyniki uzyskano przy pomocy funkcji Clearances. Otrzymano trzy wartości prześwitów pionowych pierwsze dwa to pionowe odległości między liniami pasa (kierunek ruchu oraz dolna linia określająca lokalizację prześwitu) a krawędzią zwisu, w miejscu, gdzie przecinają się one w widoku z góry. Trzecia wartość to minimalny prześwit pionowy, czyli miejsce, w którym punkty górnej powierzchni są najbliżej niższej powierzchni. Rys Pomiar pionowych prześwitów biały obszar oznacza zakres, w jakim szukana jest wartość minimalna

73 W ten sam sposób, tylko poprzez zmianę kierunku ruchu, zamierzano pomierzyć również rozpiętość słupów, jednak ze względu na ograniczenia długości linii pasa i linii zwisu do 1 m zaniechano prób. Rozpiętość, osiągającą wartości większe od 1 m, pomierzono za pomocą funkcji Measure - Distance Point to Point. Tabela Wykaz wartości prześwitów dla frontu podcienia Strona Lewa Prawa Rozpiętość pozioma Wartość 1,278 [m] 1,295 [m] 73 Prześwit pionowy Wartość minimalna 2,073 [m] 2,034 [m] Wartość z przecięcia z kierunkiem ruchu 2,078 [m] 2,039 [m] Wartość z przecięcia z lok. prześwitu 2,085 [m] 2,036 [m] Ocena ubytków powierzchni. Powierzchnia ścian podcienia jest bardzo nieregularna, gdyż znajduje się na niej sporo ubytków. Pomiar ubytków ściany bezpośrednio na podstawie chmury punktów jest bardzo niedogodny, dlatego w celu analizy występowania nierówności zdecydowano się stworzyć kolorystyczną mapę deformacji. Opracowaniu poddano prawą ścianę podcienia, widoczną ze stanowiska 008. Zrezygnowano z poddawania analizie ściany frontowej ze względu na jej znaczne odchylenia od pionu. W pierwszej kolejności prawą ścianę podcienia przekopiowano do nowej przestrzeni ModelSpace oraz usunięto wszelkie zbędne punkty otoczenia. Następnie założono lokalny układ współrzędnych, w którym ściana stanowiła płaszczyznę XY (jedynie w przybliżeniu, ze względu na występujące na jej powierzchni deformacje), zaś oś Z była do niej prostopadła. Jest to jeden z istotniejszych elementów całego procesu. Jeśli bowiem płaszczyzna nie będzie równoległa do teoretycznej powierzchni ściany, punkty do niej odniesione nie będą przedstawiały już zależności wysokościowych. Dlatego, by jak najbardziej wyeliminować ewentualne błędy, warto zakładać układ współrzędnych najbliżej środka obiektu, na najbardziej płaskim obszarze z możliwych. W danym wypadku zaś posłużono się płaszczyzną odniesienia Reference Plane, którą obracano tak długo, aż osiągnięto zadowalający efekt. Względem tak ustalonej płaszczyzny utworzono następnie układ współrzędnych. Kolejnym krokiem było zadanie chmurze punktów odpowiedniej kolorystyki za pomocą polecenia Edit Object Appearance Edit Color Map... wybrano tryb Elevation Map, nadający punktom kolory w zależności od ich odległości od płaszczyzny XY. Najmniejszy możliwy do wybrania skok wartości, dla którego zmieniał się odcień barwy, to 1 mm. Otrzymany produkt prezentowany jest jako rysunek 6.12.

74 74 Rys Zobrazowanie wgłębień dla prawej ściany podcienia. Czym jaśniejszy kolor, tym punkty usytuowane są głębiej. Innym sposobem prezentacji deformacji ścian jest zastosowanie siatki nieregularnych trójkątów (TIN). Użyto w tym celu funkcja TIN Meshing. W wyniku operacji powstał przybliżony model powierzchni obiektu, który należało poddać dalszym opracowaniom. TIN utworzono w oparciu o wszystkie punkty, włącznie z tymi stanowiącymi szumy niezauważone w procesie filtracji. W miejscach ich występowania pojawiły się struktury o zauważalnie ostrych, wypukłych krawędziach. Wycięto je, zaś powstałe w ten sposób puste miejsce wypełniono na nowo siatką. Istnieją dwa sposoby ponownego wypełnienia wyciętych obszarów poprzez pojedyncze wskazanie każdej nieciągłości i użycie funkcji Tools Mesh - Fill Selected Hole lub przez ponowne stworzenie TIN dla całego opracowania. Pierwsze rozwiązanie jest bardziej pracochłonne, gdyż każde puste miejsce wypełnia się oddzielnie, gdy zaś znajduje się ono na krawędzi całej siatki, wypełnienie nie jest możliwe, dopóki nie stworzy się z nieciągłości zamkniętego obszaru. Z kolei drugi sposób może prowadzić do ponownego wygenerowania podobnych błędów, jeśli za pierwszym razem nie usunięto dokładnie wszystkich błędnych punktów. Dlatego zdecydowano się wykorzystać funkcję wypełnienia. Rys Wskazanie błędnych powierzchni za pomocą funkcji Edit - Fence

75 75 Rys Wycięcie błędnych powierzchni - Edit Fence Delete Inside Rys Otrzymanie siatki z obszarami nieciągłości Rys Zaznaczenie pustego miejsca za pomocą polecenia Pick

76 76 Rys Wypełnienie pustego miejsca - Tools Mesh - Fill Selected Hole Leica Cyclone umożliwia prezentację TIN w kilku postaciach, m.in. jako model szkieletowy Wireframe, składający się z niewypełnionych trójkątów. Taka forma jest pomocna podczas edycji pojedynczych trójkątów lub gdy zachodzi potrzeba wyświetlenia ich wierzchołków oraz krawędzi. Z kolei w widoku Pre-Face Normals każdy trójkąt renderowany jest jako oddzielna powierzchnia ze swoją własną normalną. Postać ta znajduje wykorzystanie podczas edytowania całej siatki. Bardziej gładki obraz zapewnia widok LOD Full Range, którego warto użyć do generalnej wizualizacji obiektu. Rys Rodzaje przestawienia siatki Mesh: a) Wireframe, b) LOD Full Range, c) Pre-Face Normals Po utworzeniu siatki danej powierzchni istnieje możliwość nadania obszarowi warstwic z zadanym wg potrzeb krokiem warstwicowym (Tools Contours Create). W tym opracowaniu wybrano krok dla warstwic głównych wynoszący 5 cm, zaś dla warstwic pomocniczych 0,5 cm. Ułatwiają one zidentyfikowanie drobnych odkształceń na powierzchni (Rys. 6.19). W celu wizualizacji odkształceń możliwe jest także nadanie siatce odpowiedniej kolorystyki w zależności od odległości od zadanej płaszczyzny. Otrzymana w ten sposób mapa deformacji prezentowana jest na rysunku Utworzony TIN pozwala także na pomierzenie wysokości poszczególnych trójkątów funkcja Measure Elevation (Rys. 6.19).

77 Rys Prace przy analizie powierzchni: a) warstwice wraz z pokolorowaną powierzchnią, b) pomiar wysokości. 77 Rys Mapa deformacji ściany

78 Siatkę można także eksportować do programów typu CAD, gdzie przybiera ona formę Wireframe. Jest to jeden z kilku sposobów, aby przenieść do tego typu oprogramowania widok obiektu. 78 Rys Widok TIN w programie AutoCAD TruView w przeglądarce internetowej TruView jest to przeglądarka panoramicznych chmur punktów, umożliwiająca oglądanie modelu oraz dokonywanie pomiarów na chmurze punktów przy pomocy darmowej wtyczki Leica TruView w przeglądarce internetowej. W związku z tym dostęp do opracowania posiada każdy użytkownik Internetu. Interfejs umożliwia podgląd chmury punktów oraz wykonanie pomiarów obiektu bez fizycznego dostępu do niego. Wyniki pomiaru są przedstawiane zarówno bezpośrednio na chmurze punktów, jaki i w bocznym panelu. Przeglądarka umożliwia dokonanie pomiaru w siedmiu jednostkach: metrach, centymetrach, stopach, calach, jardach oraz amerykańskich calach geodezyjnych (ang. US Survey Inches) i amerykańskich stopach geodezyjnych (ang. US Survey Feet). TruView umożliwia również wyodrębnienie współrzędnych, co może być przydatne w przypadku wykonania projektu w układzie geodezyjnym. Rys Przykład pomiaru odległości na obiekcie

79 Rozdział VII INWENTARYZACJA ZABYTKOWEGO OBIEKTU SAKRALNEGO KAPLICY KRÓLEWSKIEJ W GDAŃSKU 79 ZASTOSOWANIE NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO I PRZETWARZANIE DANYCH: INWENTARYZACJA I INSPEKCJA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH. opracowanie i redakcja: Alicja Byzdra., Mariusz Chmielecki, Przemysław Laskowski, Jakub Szulwic

80 7. INWENTARYZACJA ZABYTKOWEGO OBIEKTU SAKRALNEGO KAPLICY KRÓLEWSKIEJ W GDAŃSKU 7.1. Przedmiot inwentaryzacji 80 Kaplica Królewska (Rys. 7.1) to zabytkowy obiekt sakralny położony na Głównym Mieście w Gdańsku. Wykonano ją w stylu barokowym. Kaplicę wzniesiono dla gdańskich katolików w latach , kiedy znajdujący się obok Kościół Mariacki był w rękach protestantów. Budowa sfinansowana została ze środków zapisanych w testamencie Prymasa Polski Andrzeja Olszowskiego przy wsparciu Króla Polski Jana III Sobieskiego. Kamień węgielny pod budowę Kaplicy położono 21 lipca 1678 r. Zaopatrzono go w tabliczkę, której łacińska inskrypcja wymienia papieża Innocentego XI, cesarza Leopolda I, króla polskiego Jana III, biskupa kujawskiego i pomorskiego Stanisława Sarnowskiego oraz wojewodę pomorskiego Władysława Donhoffa. Wezwanie kaplicy określono jako "ku czci Świętego Ducha i pamięci Świętych Jana Chrzciciela i Andrzeja Apostoła". Kamień węgielny poświęcił Joachim de Hirtemberg Pastorius, Protonotariusz Apostolski, Kanonik Chełmiński, Dziekan, Proboszcz i Oficjał Gdański i Pomorski, Jego Prześwietnej Mości Króla Polskiego Sekretarz, Komisarz i Historiograf Polski" [Bogdanowicz S., 1992], [Laskowski P., et al., 2014]. Prace budowlane prowadzone były przez Bartela Ranischa według projektu Tielman van Gameren, ale bywa, że autorstwo jest przypisywane Izydorowi Affaita. W 1838 r. oraz w 1877 r. przeprowadzone zostały prace remontowe, a w latach pod kierunkiem arch. Friedricha Fischera przeprowadzono prace konserwatorskie. W marcu 1945 r. zniszczeniu uległy: dach, część sklepień i przybudówki oraz wyposażenie wnętrza. Od 1946 r. trwała sukcesywna odbudowa i konserwacja budowli trwająca z przerwami do 2005 r. Rys Kaplica Królewska w Gdańsku [Fotopolska, 2014]

81 Podczas prac remontowych w latach 90. XX w. zaistniały podejrzenia silnych osiadań obiektu, dlatego poproszono Katedrę Geodezji Politechniki Gdańskiej o monitoring przemieszczeń pionowych fundamentów. Pomiary prowadzono do roku 1999, a w roku 2011 po 12-letniej przerwie wznowiło je Koło Naukowe Hevelius Politechniki Gdańskiej [Laskowski P., et al., 2014], [Kondziela H., 1957], [Wrabec J., 1993], [Karpowicz M., et al., 2000] Wykorzystana aparatura pomiarowa Podczas pomiarów wykorzystano następującą aparaturę pomiarową: Skaner laserowy - Podczas pomiarów terenowych wykorzystano impulsowy skaner laserowy Leica ScanStation C10. Urządzenie cechuje się stosunkowo dużym zasięgiem (do 300m przy idealnych warunkach), co jest niezbędne przy wykonywaniu inwentaryzacji obiektów kubaturowych, a zwłaszcza ich zewnętrza. Statyw - Skaner poziomowano na dedykowanym do pomiarów metodą skaningu laserowego ciężkim statywie geodezyjnym z włókna szklanego firmy Leica. Użycie statywu ciężkiego zalecane jest ze względu na rozmiary i wagę sknera laserowego, jak i jego ruchy wykonywane podczas pracy. Urządzenie wyposażone jest w serwomotory, które wprawiają je w obrót podczas skanowania i wykonywania fotografii. Przy stosunkowo dużej masie skaner wykazuje zauważalną bezwładność podczas wprawiania w ruch, co przy lekkich statywach może doprowadzić do szybkiego rozpoziomowania i błędnej rejestracji danych. Tarcze Black/White - tarcze identyfikacyjne służące do orientacji chmur punktów podczas opracowania danych. Zastosowano standardowe tarczki typu Black/White drukowane na białych kartkach papieru i w sposób jednoznacznie rozpoznawalny numerowane. Rolę tarcz Black/White wewnątrz obiektu spełniły też płytki podłogowe, co opisano w dalszej części pracy. Tachimetr do pomiarów uzupełniających (geodezyjne wyznaczenie współrzędnych tarczek) wykorzystano tachimetr bezlustrowy Leica TCRP Trójnik aluminiowy do stabilizacji instrumentu wewnątrz obiektu użyto trójnika aluminiowego pod statyw Przygotowanie kampanii pomiarowej Przygotowanie obiektu Aby wykonać możliwie najlepszą rejestrację danych, obiekt do pomiaru należy odpowiednio przygotować. Z otoczenia, w miarę możliwości, powinny zostać usunięte wszelkie elementy nie podlegające inwentaryzacji. W omawianym przykładzie poproszono właścicieli samochodów parkujących pod obiektem o ich czasowe przestawienie. Przed pomiarem usunięto też z obiektu ochronne siatki przeciw ptakom. W miarę możliwości powinny też zostać usunięte wszelkie zanieczyszczenia, takie jak pajęczyny, grube warstwy kurzu itp. Wszelkie elementy, które mogą stanąć na drodze wiązki lasera powodują rejestrację niepożądanych danych, co w późniejszym

82 82 opracowaniu utrudnia proces filtracji danych. Jeśli to możliwe warto również zadbać o zamknięcie obszaru pomiarów dla osób postronnych. Przypadkowo przechodzące osoby oraz zwierzęta mogą przeciąć wiązkę lasera powodując rejestrację niepożądanych danych, które będzie trzeba poddać w opracowaniu procesowi filtracji. Powodują też niezarejestrowanie obserwacji pożądanych (powierzchni obiektu inwentaryzowanego), przez co tracona jest część danych o obiekcie, pożądana do uzyskania. W omawianym przykładzie zamknięty dla osób postronnych został teren wewnątrz obiektu oraz na jego dachu. Niestety niemożliwe było wyłączenie z użytkowania silnie eksploatowanego turystycznie terenu wokół Kaplicy, co stanowiło poważne utrudnienie podczas pomiarów, jak i wpłynęło na utrudnienie opracowania danych ze względu na dużą ilość przypadkowo zarejestrowanych punktów, co opisano w kolejnych podrozdziałach Rozplanowanie stanowisk Przed przystąpieniem do pomiarów należy przeprowadzić wywiad terenowy celem ustalenia możliwie najlepszej lokalizacji stanowisk pomiarowych. Stanowiska powinny być lokalizowane tak, aby możliwa była rejestracja możliwie największego obszaru skanowanego obiektu. Ważne jest również aby, jeśli nie jest to konieczne, nie oddalać się zbytnio od obiektu, ponieważ wraz z oddalaniem się instrumentu od skanowanej powierzchni spada rozdzielczość skanu. Należy wtedy zwiększyć gęstość rejestracji w ustawieniach pomiaru lub wykonać większą ilość skanów tej samej powierzchni. Każdorazowo wydatnie zwiększa to czas pomiaru. W niektórych przypadkach konieczne jest jednak zlokalizowanie stanowisk z dala od inwentaryzowanego obiektu. Dzieje się tak np. w przypadku skanowania stromych połaci dachowych, których nie jesteśmy w stanie zarejestrować znajdując się blisko obiektu. Podczas planowania lokalizacji stanowisk należy także wstępnie przewidzieć sposób w jaki skany z poszczególnych stanowisk będą względem siebie orientowane. Jest to niezwykle istotne, ponieważ w przypadku wykorzystania do orientacji stanowisk znaczków identyfikacyjnych, trzeba zadbać, aby z sąsiednich stanowisk widoczne były minimum trzy, niewspółliniowe znaczki, nieleżące na jednej ścianie. Za każdym razem, a zwłaszcza jeśli zamierzamy wykorzystać łączenie chmura do chmury, warto zadbać o możliwe największe obszary wspólnego pokrycia stanowisk sąsiednich. Ułatwi to wytypowanie punktów dostosowania, dzięki którym zorientujemy skany, a także zwiększy dokładność orientacji dzięki lepszym parametrom orientacji (im dalej od siebie znajdują się punkty dostosowania, tym dokładniejsza będzie orientacja). W omawianym przykładzie lokalizację stanowisk można podzielić na trzy kategorie stanowiska zlokalizowane wokół obiektu, stanowiska zlokalizowane wewnątrz obiektu oraz stanowiska zlokalizowane na dachu obiektu. Każda z kategorii cechowała się nieco odmienną specyfiką i innymi problemami lokalizacyjnymi. Stanowiska zlokalizowane wokół obiektu (Rys. 7.2) przewidziano wstępnie do orientacji wzajemnej z wykorzystaniem znaczków identyfikacyjnych typu Black/White. Wokół obiektu zaplanowano wstępnie rozmieszczenie 9 stanowisk + 3 na dziedzińcu obiektu. Podstawowym problemem był duży ruch pieszy wokół obiektu ze względu na turystyczny charakter miejsca. Należało

83 zadbać o bezpieczeństwo i stabilność instrumentu, lokalizując go poza głównymi ciągami komunikacyjnymi nawet, jeśli skutkowało to nieco mniej dogodną pozycją obserwacyjną. 83 Rys Rozmieszczenie stanowisk wokół obiektu Stanowiska zlokalizowane wewnątrz obiektu przewidziano do orientacji wzajemnej metodą chmura do chmury. Łącznie wewnątrz obiektu zlokalizowano 8 stanowisk. Stanowiska zlokalizowane na dachu obiektu przewidziano do orientacji metodą znaczków identyfikacyjnych. Zaplanowano również ich zorientowanie w stosunku do stanowisk wewnątrz i wokół obiektu metodą kombinowaną (znaczki + chmura do chmury ). Na dachu przewidziano 8 stanowisk Rozplanowanie rozmieszczenia znaczków identyfikacyjnych Na podstawie zaplanowanego rozmieszczenia stanowisk instrumentu można zaplanować rozmieszczenie tarczek identyfikacyjnych. Jak już wcześniej wspomniano znaczki identyfikacyjne należało zlokalizować tak, aby z sąsiednich stanowisk widoczne były minimum trzy niewspółliniowe znaki. Wykorzystano je do orientacji stanowisk na dachu oraz wokół obiektu. Łącznie zaplanowano rozmieszczenie trzydziestu czterech znaczków Realizacja kampanii pomiarowej Rozmieszczenie w terenie znaczków identyfikacyjnych Każdy ze znaczków miał swój numer. Podczas opracowania danych dla łatwiejszej identyfikacji do numerów dodano znaczniki: d dół znaczki zlokalizowane wokół obiektu g góra znaczki zlokalizowane na dachu obiektu s środek znaczki zlokalizowane wewnątrz obiektu

84 84 Rolę znaczków Black/White pełniły czarno-białe szachownice wydrukowane na kartkach papieru. Spełniają one swoją rolę równie dobrze jak oryginalne znaczniki oferowane przez firmy produkujące sprzęt do skaningu laserowego, a są nieporównywalnie tańsze, łatwe w użyciu i niezwykle dostępne, nawet w dużych ilościach. Znaczki rozmieszczono na gładkich powierzchniach (tabliczki adresowe, skrzynki gazowe i energetyczne, rewersy stabilnych znaków drogowych), starając się, aby środek znacznika był stabilny i nie przemieszczał się. Stabilność znaku jest niezwykle istotna, ponieważ stanowi on w istocie punkt dostosowania. Zarejestrowany z różnych stanowisk będzie stanowił punkt dostosowania podczas orientacji stanowisk polegającej na transformacji zarejestrowanych współrzędnych punktów. Przemieszczenie znaku spowoduje uzyskanie błędnych parametrów transformacji i uniemożliwi lub spowoduje błędy podczas orientacji stanowisk. Jeśli to możliwe warto zatem zadbać, aby z sąsiednich stanowisk widoczne było więcej niż trzy wymagane, niewspółliniowe znaczki (np. nie leżące na jednej ścianie obiektu). Dzięki temu w przypadku zniszczenia lub przemieszczenia jednego z nich orientacja nadal będzie możliwa. Wewnątrz obiektu fizycznie nie rozmieszczono znaczków Black/White. Podczas opracowania danych okazało się jednak, że dobrze tę funkcję spełniają również biało-czarne płyty podłogowe Kaplicy. Niektóre z ich połączeń zaadaptowano na prowizoryczne znaczki, co opisano szczegółowo w punkcie nadając im identyfikatory ze znacznikami s Przygotowanie stanowisk pomiarowych Przygotowanie każdego stanowiska składało się z kilku etapów. W przypadku stanowisk przewidzianych do orientacji metodą znaczków identyfikacyjnych za każdym razem należało upewnić się, że widoczne są minimum 3 znaczki, które będą również dostępne z sąsiednich stanowisk. Następnie należało ustabilizować instrument, co w większości przypadków wiązało się z jego ustawieniem na statywie i spoziomowaniem z użyciem libelli pudełkowej, a następnie bardziej precyzyjnej, wewnętrznej libelli elektronicznej. Dla jednoznaczności pozyskiwanych danych ułatwiającej pracę podczas opracowania danych każdemu ze stanowisk nadawano osobny identyfikator na poziomie menu pomiarowego instrumentu Realizacja skanów na poszczególnych stanowiskach Każdorazowo wstępnie przeprowadzano skan panoramiczny w pełnym zakresie dostępnym dla skanera, to jest 360 stopni w układzie horyzontalnym i 270 stopni w układzie wertykalnym (ze względów konstrukcyjnych, obszar znajdujący się pod skanerem nie jest dostępny dla wiązki lasera). Skany wykonywano w średniej rozdzielczości zapewniającej odpowiedni bilans pomiędzy rozdzielczością skanu a czasem jego wykonania. Po wykonaniu skanu panoramicznego dokonywano dodatkowego skanowania znaczków pomiarowych w wysokiej rozdzielczości (Rys. 7.3). W niektórych przypadkach wykonywano też skan panoramiczny w niskiej rozdzielczości, następnie skan fragmentu przestrzeni zawierającej mierzony obiekt w średniej rozdzielczości i ostatecznie skany znaczków w wysokiej rozdzielczości (Rys. 7.4). Dzięki takiemu zabiegowi punkty dostosowania dla procesu orientacji mają dokładniej określoną pozycję (wysoka rozdzielczość skanu pozwala uzyskać

85 zarejestrowane punkty możliwie najbliżej środka celu), a jednocześnie czas potrzebny na wykonanie skanów na pojedynczym stanowisku nie jest tak długi jak w przypadku wykonywania pełnego skanu panoramicznego w maksymalnej rozdzielczości. 85 Rys Widoczna różnica pomiędzy rozdzielczością niską skanu panoramicznego i średnią przestrzeni zawierającej mierzony obiekt Na części stanowisk po wykonaniu skanu panoramicznego skaner wykonywał także panoramiczną fotografię skanowanego obszaru składającą się z wielu pojedynczych zdjęć wykonywanych w takim samym zakresie dostępności jak skan laserowy. Dzięki temu możliwe będzie późniejsze nadanie pomierzonym punktom realistycznych kolorów. Rys Widoczna różnica pomiędzy skanem znaczka pomiarowego w wysokiej rozdzielczości i otaczającą go przestrzenią zeskanowaną w średniej rozdzielczości

86 Problemy podczas realizacji skanów dachu budynku 86 W przypadku stanowisk na dachu podstawowym problemem okazał się brak możliwości zastosowania statywu geodezyjnego. Ze względu na pokrycie dachu wrażliwymi płytami miedzianymi (o czym nie było wiadomo na etapie planowania pomiaru). Konieczne było znalezienie innej metody ustawienia instrumentu. Odstające od powierzchni dachu łączenia miedzianych płyt uniemożliwiały również stabilne ustawienie podstaw prowizorycznych, dlatego ostatecznie zdecydowano się na wyjście awaryjne w postaci ustawienia spodarki instrumentu bezpośrednio na płytach dachowych. Powodowało to częste rozpoziomowania instrumentu, co znacząco wydłużyło czas pomiaru i utrudniło opracowanie danych. Szczegółowo problem opisano w podpunkcie Problemy podczas realizacji skanów wnętrza budynku Ze względy na specyficzny charakter obiektu i jego dużą wartość obiekt znajduje się pod nadzorem konserwatora zabytków. Niemożliwe było rozmieszczenie znaczków identyfikacyjnych na ścianach wewnętrznych, ponieważ mogło to doprowadzić do ich uszkodzenia. Nie zdecydowano się również na umieszczenie znaczków na statywach. Ze względu na gładki charakter pokrycia podłogi wewnątrz obiektu, konieczne było również zastosowanie trójnika aluminiowego pod statyw celem jego stabilizacji Kąt padania i odległość od skanowanego obiektu Istotnym elementem, który należy wziąć pod uwagę już na etapie planowania pomiarów jest kąt padania wiązki lasera na skanowane obiekty. Im ostrzejszy jest kąt pod jakim wiązka pada na powierzchnię, tym bardziej spada rozdzielczość, w jakiej powierzchnia zostanie zarejestrowana. Zjawisko jest całkowicie naturalne i wynika z budowy skanera i fizjonomii procesu skanowania. Zmiana nominalnej rozdzielczości wykonywanych skanów w menu skanera polega na zmianie kąta, o jaki obróci się głowica skanująca przy wykonywaniu kolejnej linii skanu. W przeciwieństwie więc do standardowo rozumianego pojęcia rozdzielczości (na płaszczyźnie) w przypadku skaningu laserowego rozdzielczość wykonywanego skanu należałoby zdefiniować inaczej. Właściwie należałoby rozróżnić definicję nominalnej rozdzielczości skanu, czyli rozdzielczości ustawianej w menu skanera oraz efektywnej rozdzielczości skanu, czyli ilości punktów pomierzonych na skanowanym obiekcie, w dalszej części pracy nazywanej po prostu rozdzielczością skanu. Standardowe pojmowanie definicji rozdzielczości (typowe dla rozdzielczości obrazu na płaszczyźnie) w przypadku efektywnej rozdzielczości skanu ma zastosowanie do obiektów, na które wiązka lasera pada pod kątem dziewięćdziesięciu stopni, choć w praktyce można je stosować również do obiektów zeskanowanych pod kątem bliskim kątowi prostemu. Obiektów zeskanowanych pod takim kątem na skanie panoramicznym występuje bardzo ograniczona ilość. Ogranicza się ona do obiektów położonych na płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny horyzontu spoziomowanego skanera i leżących w pobliżu przecięcia tych płaszczyzn. Więcej obiektów zeskanowanych pod kątem zbliżonym do prostego może wystąpić przy lokalizacji stanowisk pomiarowych wewnątrz obiektu.

87 Mogą tam wystąpić elementy skośne prostopadłe do wiązki padającego lasera, jak i elementy poziome prostopadłe do tej wiązki (np. sufit). 87 Rys Spadek rozdzielczości skanu powierzchni terenu wraz z oddalaniem się od stanowiska pomiarowego spowodowany niekorzystnym kątem padania wiązki lasera W przypadku obiektów zeskanowanych pod małym kątem da się zaobserwować, że nawet niewielkie zmniejszenie nominalnej rozdzielczości w ustawieniach skanu, to jest nawet niewielkie zwiększenie kąta pomiędzy kolejnymi płaszczyznami skanowania, powoduje znaczny spadek liczby punktów pomierzonych na skanowanym obiekcie. Szczególnie widoczne jest to na skanach płaszczyzn równoległych lub zbliżonych do równoległych w stosunku do płaszczyzny horyzontu skanera. Najlepszym przykładem takiej płaszczyzny jest płaszczyzna podłoża, na której ustawiono statyw z instrumentem (Rys. 7.5). W pobliżu skanera podłoże zeskanowane jest w dobrej rozdzielczości praktycznie niezależnie od ustawień skanera. Im jednak dalej od instrumentu, tym bardziej rozdzielczość ta spada. Aby więc uzyskać użyteczne skany powierzchni podłoża należy lokować stanowiska możliwie blisko siebie lub w miarę możliwości zwiększać nominalną jakość skanu. W omawianym przykładzie rozdzielczość skanu podłoża istotna była jedynie w przypadku stanowisk zlokalizowanych wewnątrz obiektu. Ponieważ jednak stosunkowo skomplikowany układ wnętrza budynku wymusił gęste rozmieszczenie stanowisk uzyskano zadowalającą liczbę pomierzonych na posadzce obiektu punktów mimo ustawienia średniej, nominalnej rozdzielczości skanów. W przypadku stanowisk zlokalizowanych na zewnątrz obiektu da się jednak zaobserwować silny spadek rozdzielczości skanu kostki brukowej wraz z oddalaniem się od instrumentu. Stopniowy spadek rozdzielczości skanu może nastąpić również w przypadku powierzchni prostopadłych do płaszczyzny horyzontu skanera, a jednocześnie leżących stosunkowo blisko skanera. Dobrym przykładem będą tu górne partie budynków zlokalizowanych w pobliżu skanera. Ponieważ jednak w przeciwieństwie do podłoża, dobra jakość skanu ścian budynku jest bardzo istotna, należy dobrać odpowiednią odległość instrumentu od obiektu, jak i nominalną rozdzielczość

88 88 skanu. Wraz z oddalaniem stanowiska instrumentu od skanowanego budynku kąt padania wiązki lasera na jego ściany (zakładając oczywiście występowanie najpopularniejszych ścian pionowych i zbliżonych do pionowych) zbliża się do wartości dziewięćdziesięciu stopni, co pozwala uzyskać lepszą rozdzielczość skanu powierzchni ściany. Trzeba jednak pamiętać, że jak już wcześniej wspomniano, rozdzielczość nominalna ustawiana w skanerze zmienia się przez zmianę kąta pomiędzy kolejnymi płaszczyznami skanu. Co za tym idzie, im dalej instrument znajduje się od skanowanego obiektu, tym bardziej spada rozdzielczość elementów skanowanych z powodu rosnącego znaczenia kąta pomiędzy kolejnymi płaszczyznami skanu, a więc w przełożeniu - również pomiędzy kolejnymi liniami pomierzonych na obiekcie punktów. Dla uzyskania najlepszej możliwej jakości skanu całego obiektu kubaturowego należy więc zachować balans pomiędzy oddaleniem skanera od obiektu i wynikającej z tego poprawie kąta skanowania a zbliżeniem skanera do obiektu i wynikającym z tego zmniejszeniem odległości liniowej pomiędzy kolejnymi liniami punktów pomierzonych na płaszczyźnie ściany. Najbardziej zbilansowane wydaje się umieszczenie stanowiska w odległości od ściany zbliżonej do wysokości ściany. Umożliwi to padanie wiązki lasera pod kątem z zakresu (45 90 stopni), czyli dość korzystnym, a jednocześnie pozwala na zachowanie stosunkowo niewielkiej odległości od skanowanego obiektu Zastosowane oprogramowanie i import danych pomiarowych do przestrzeni roboczej Do opracowania danych użyto dedykowanego oprogramowania firmy Leica programu Leica HDS Cyclone Program umożliwia wczytywanie oraz pracę na chmurach punktów powstałych w wyniku pomiarów skanerem laserowym (zarówno firmy Leica, jak i innych firm). Podczas importu danych do programu warto wybrać opcję Estimate normals. Dzięki temu już na etapie importu program dokona przeliczeń niezbędnych przy ewentualnym procesie łączenia skanów metodą chmura do chmury. Wykonanie orientacji bez wcześniejszej estymacji nie jest możliwe i jeśli nie zostanie ona wykonana podczas importu danych, trzeba będzie ją wykonać w późniejszym etapie, kiedy użytkownik zechce skorzystać z opcji Cloud Constraint lub wykonać pomiary na chmurze punktów. Warto zaznaczyć, że estymacja jest procesem wymagającym pokaźnej mocy obliczeniowej komputera, jak i dużych zasobów pamięci podręcznej, przez co jej wykonanie na dużej ilości danych może zająć sporo czasu. Warto zatem dokonać jej już na etapie wstępnym, aby później w razie konieczności nie przerywać pracy na dłuższy czas Ocena przydatności poszczególnych skanów Pierwszym etapem pracy na zaimportowanych do przestrzeni roboczej programu danych powinien być przegląd i ocena stanu oraz przydatności w dalszym procesie obróbki poszczególnych skanów. Na tym etapie stwierdzono nieprawidłowości lub brak przydatności skanów z 4 stanowisk. Stanowisko 001 dokończenie pomiaru na stanowisku nie było możliwe ze względu na zbyt intensywny ruch pieszy. Konieczne było przeniesienie stanowiska skanera w bezpieczniejsze miejsce. Ponieważ w zarejestrowanych danych znalazło się zbyt mało znaczków identyfikacyjnych, aby zorientować chmurę punktów bez użycia łączenia chmura do chmury oraz uzyskane dane

89 zostały z powodzeniem zarejestrowane również z innych stanowisk pomiarowych, zdecydowano o całkowitej rezygnacji z wykorzystania danych zarejestrowanych na tym stanowisku. 89 Rys Stanowisko Niepełna rejestracja danych wykluczyła stanowisko z dalszego opracowania Stanowisko 002 wykryto nakładanie się skanów. Podczas rejestracji danych skaner uległ przesunięciu, ale nie rozpoziomował się, w skutek czego pomiar nie został przerwany, a zapisany w jednym pliku i widoki nałożyły się z przesunięciem. Ze względu na brak zdublowanych danych pomiarowych w tym miejscu, postanowiono o ich wykorzystaniu po odpowiedniej obróbce (punkt 7.9.1). Rys Wzajemne przesunięcie skanów zapisanych do jednego pliku widać szczególnie na wieżyczce zakończonej krzyżem oraz kominach w tle. Nie widać również znaczków pomiarowych zlokalizowanych na ścianie kopuły, gdyż zostały przesłonięte przesuniętym skanem Stanowisko 006 podobnie jak w przypadku stanowiska 001, zarejestrowano jedynie fragment przestrzeni, po czym instrument uległ rozpoziomowaniu. Zdecydowano o całkowitej rezygnacji z wykorzystania danych z tego stanowiska w dalszym opracowaniu.

90 Stanowisko 009 również w przypadku tego stanowiska instrument uległ rozpoziomowaniu przed zakończeniem rejestracji danych. Ponownie zrezygnowano z wykorzystania zarejestrowanych punktów w dalszym opracowaniu. W tym etapie oceniano jedynie przydatność skanów do dalszego wykorzystania. Na wielu skanach wykryto dużo szumów i nieprawidłowości, które możliwe są jednak do wykorzystania w dalszym opracowaniu. Podstawowym celem było zweryfikowanie, czy posiadane dane pozwolą na opracowanie kompletnego modelu obiektu Wstępna orientacja stanowisk Orientacja stanowisk polega na wzajemnym połączeniu ze sobą chmur punktów powstałych na poszczególnych stanowiskach w jedną spójną chmurę, na podstawie której utworzony zostanie model skanowanego obiektu. Ponieważ podczas pomiarów stanowiska nie były w żaden sposób orientowane czy nawiązywane do zewnętrznej osnowy, punkty pomierzone na poszczególnych stanowiskach zostały zapisane w lokalnych układach współrzędnych z początkiem w punkcie przecięcia osi głównych urządzenia skanującego. Aby połączyć wszystkie chmury punktów w jedną, należy zatem dokonać transformacji współrzędnych pomierzonych punktów do jednego, wybranego układu współrzędnych. Najczęściej układem tym jest układ zdefiniowany przez pierwsze stanowisko wybrane do rejestracji (orientacji chmur punktów). Możliwe jest jednak również poczynienie georeferencji, w której transformacja dokonana zostanie do zdefiniowanego zewnętrznego układu współrzędnych, np. prawnie obowiązującego układu państwowego lub wybranego układu lokalnego. Podczas orientacji chmur punktów wykorzystywana jest sześcioparametrowa transformacja Helmerta. Niezbędne do jej wykonania są zatem minimum trzy punkty dostosowania. Właśnie dlatego podczas planowania rozmieszczenia stanowisk i tarczek należało uwzględnić widok w pokryciu wzajemnym sąsiednich stanowisk minimum trzech znaczków identyfikacyjnych lub odpowiednio duże pokrycie wzajemne sąsiednich skanów celem dobrania wygodnych, niewspółliniowych punktów, nie leżących na jednej ścianie. Łączenie chmur punktów wykonano dwiema metodami: metodą znaczków identyfikacyjnych oraz, tam gdzie nie możliwe było zastosowanie tej metody, metodą chmura do chmury.

91 91 Rys Po orientacji chmur punktów z wielu stanowisk punkty zostały przetransformowane do jednego układu współrzędnych zdefiniowanego w tym przypadku przez pierwsze stanowisko wykorzystane w rejestracji Rys Skanom z 4 różnych stanowisk nadano różne kolory. Widać wzajemne przenikanie i uzupełnianie się pomierzonych punktów z kolejnych stanowisk Metodą znaczków identyfikacyjnych Aby zastosować omawianą metodę niezbędne są miejsca, w których możliwe będzie umieszczenie znaków. Nie zawsze miejsca takie są dostępne. Jeśli skanowany obiekt jest jedynym okolicznym obiektem, znaki będą musiały zostać umieszczone bezpośrednio na nim, przez co znajdą się również w modelu obiektu, chyba że zastosujemy podwójne skanowanie, polegające na kilkukrotnym skanowaniu powierzchni, na której został umieszczony znak, tak aby została ona zeskanowana wraz ze znakiem ze stanowisk sąsiednich, umożliwiając ich wzajemną orientację, ale również bez znaku, aby umożliwić pokazanie w modelu powierzchni nie zawierającej znaczka. Znacząco wydłuża się wtedy jednak proces skanowania, jak i opracowania danych, a ostateczna rejestracja może mieć obniżoną dokładność. Innym wyjściem jest umieszczenie znaków na statywach

92 92 geodezyjnych. W tym przypadku nie ma jednak pewności, że podczas wykonywania skaningu znak/znaki nie ulegną przemieszczeniu, co może potem uniemożliwić lub pogorszyć jakość orientacji. W omawianym przykładzie metodę znaczków identyfikacyjnych ( Black/White Target ) zastosowano do wzajemnej orientacji stanowisk zlokalizowanych wokół obiektu oraz na jego dachu. W pierwszym przypadku większość znaków umieszczono na okolicznych obiektach (kamienice, słupy, znaki adresowe). W drugim natomiast, ze względu na brak dostępności innych obiektów zlokalizowanych w zakresie przydatnego w opracowaniu zasięgu skanera, wykorzystano znaczki zlokalizowane bezpośrednio na skanowanym obiekcie. Transformację wszystkich punktów program wykonuje automatycznie wykorzystując wskazane punkty dostosowania. W przypadku Black/White Target s punktem dostosowania jest punkt znajdujący się w środku tarczy. Po wskazaniu skanu zawierającego znaczek, program potrafi zlokalizować go samodzielnie dzięki odpowiednim algorytmom wyszukującym. Znaczek składa się z przecinających się stref koloru czarnego i białego. Ponieważ powierzchnie koloru czarnego silnie pochłaniają światło lasera, natomiast powierzchnie koloru białego silnie je odbijają, odszukanie przecinających się stref białej i czarnej jest stosukowo łatwe i szybko realizowane przez algorytmy programu. Dzięki ich zaimplementowaniu nie jest konieczne ręczne wskazywanie środka tarcz, co nie tylko przyspiesza, ale i zwiększa dokładność procesu orientacji. Automatyczne wyszukiwanie celów może jednak w pewnych sytuacjach zawieść, co opisano w punkcie Należy zwracać baczną uwagę, czy układ osi wpasowany przez program, został umieszczony należycie. Po zidentyfikowaniu środka tarczy, należy nadać celowi identyfikator. Identyfikator powinien być identyczny dla tej samej tarczy, przy wskazywaniu jej na wszystkich skanach, na których była widoczna. Dzięki temu program automatycznie przyjmuje cel jako punkt dostosowania pomiędzy skanami, na których odnajdzie znak o takim samym identyfikatorze. Rys Skan tarczki ze zidentyfikowanym przez algorytmy programu środkiem. Celowi nadano identyfikator d2 oznaczający tarczkę nr 2 na dolnym poziomie Do połączenia skanów wnętrza Kaplicy użyto zasadniczo metody chmura do chmury, jednak, ponieważ zauważono ciekawą możliwość, jaką dają ułożone na posadzce obiektu płytki,

93 do pojedynczych połączeń wykorzystano metodę tarczek. Płytki ułożone w karo występowały w dwóch kolorach, przy czym jeden z nich był wyraźnie ciemniejszy od drugiego. Dzięki temu na obrazie skanów dały odbicie o zauważalnie różnej intensywności. Geometria łudząco podobna do geometrii tarczki pomiarowej skłoniła autora opracowania do podjęcia próby wykorzystania styku płytek jako znaczka identyfikacyjnego. Jak się okazało, algorytmy programu bardzo dobrze radziły sobie z odnalezieniem środka połączenia i udało się z powodzeniem wykorzystać sprzyjające okoliczności do wykonania kilku połączeń pomiędzy chmurami punktów metodą znaczków identyfikacyjnych. Możliwe było dzięki temu skrócenie czasu opracowania, jak i poprawienie jego dokładności, ponieważ połączenia oparte o punkty identyfikowane przez algorytmy programu z reguły cechowały się wysoką dokładnością. 93 Rys Widok płytek ułożonych na posadzce Kaplicy Królewskiej [materiały KN Hevelius] Rys Połączenia płytek zostały z powodzeniem wykryte przez algorytmy programu jako Blacka/White Target s

94 94 Warto jednak nadmienić, że płytki mogły być wykorzystane do orientacji chmur punktów jedynie pomocniczo i niemożliwe było wykorzystanie ich jako jedynych połączeń, ponieważ, z oczywistych wzglądów, wszystkie leżały bardzo blisko jednej płaszczyzny (podłoga nie jest idealnie równa, więc nie można uznać jej za płaszczyznę, ale jest jej jednak bardzo bliska, co eliminuje wykorzystanie znaczków zlokalizowanych tylko na niej do kompleksowej orientacji stanowisk). Podczas identyfikacji punktów dostosowania metodą znaczków identyfikacyjnych na posadzce obiektu należało też zachować szczególną uwagę i dokładnie kontrolować wpasowanie osi układu w środki połączeń płytek. Z jednym wyjątkiem program świetnie sobie jednak poradził i w szybki i prosty sposób zwiększono ilość punktów dostosowania bez fizycznego rozmieszczania znaczków w terenie. Rys Punkty dostosowania zostały przez program bardzo trafnie wpasowane. Osie horyzontalne pokrywają się z poziomą płaszczyzną skanu podłogi Metodą chmura do chmury Jeżeli z pewnych względów nie możliwe jest użycie orientacji metodą znaczków identyfikacyjnych, wykorzystać można połączenie chmur punktów metodą chmura do chmury. W metodzie tej algorytmy programu dopasowują do siebie kształty rozpoznane na skanie tak, aby możliwie z najmniejszym błędem transformować punkty do jednego układu. Metoda umożliwia wykonanie połączenia jednocześnie tylko między dwoma stanowiskami. Aby zainicjować pracę algorytmów, niezbędne jest wskazanie minimum dwóch par punktów w łączonych chmurach punktów. Wybrane punkty powinny być punktami bardzo charakterystycznymi, koniecznie występującymi na skanach z obu stanowisk i w miarę możliwości jak najbardziej jednoznacznie identyfikowalnymi. Im dokładniej wskażemy punkty, tym dokładniejsze może być dostosowanie. Niestety, w przeciwieństwie do metody znaczków identyfikacyjnych większość punktów nie jest łatwa do jednoznacznego zidentyfikowania. Im większej rozdzielczości skan, tym łatwiej na widoku dwóch chmur punktów rozpoznać ten sam element i zbliżony punkt. Najłatwiej wybierać ostre krawędzie, przecięcia, miejsca zmiany struktury materiału i wszelkie inne miejsca, w których stosunkowo łatwo odnajdziemy skrajne punkty, łatwe do identyfikacji. Należy pamiętać, że punkty te nie powinny leżeć na tej samej powierzchni skanowanej (należy unikać np. wybrania dwóch punktów na tej samej ścianie), ponieważ orientacja może nie dojść do skutku bądź być wykonana z dużym błędem. Należy

95 też wybierać punkty możliwie jak najbardziej oddalone od siebie. Aby poprawić jakość orientacji, można wykonać większą ilość połączeń, niemniej już jedno, zawierające wymaganą ilość minimum dwóch par wskazanych punktów, powinno wystarczyć do poprawnej orientacji, jako że program bierze pod uwagę nie tylko wskazane punkty, ale całe kształty. 95 Rys Punkt wskazany na dwóch chmurach punktów w tym przypadku przecięcie metalowych poprzeczek witraży Metoda połączenia chmura do chmury jest dosyć czasochłonna i zapewnia często mniejszą dokładność niż połączenie metodą znaczków identyfikacyjnych. O ile metoda znaczków niemal w każdym przypadku zapewniała dokładność połączeń na poziomie 1mm, to metoda chmura do chmury osiągnęła tę wartość pięciokrotnie na siedemnaście wykonanych tego typu połączeń. Kolejne pięć połączeń zanotowało wyniki błędu na poziomie kilku mm, natomiast siedem połączeń miało błąd położenia punktów transformowanych na poziomie 1cm. Dokładność metody niewątpliwie zależy od poprawności wskazanych punktów. Niejednokrotnie należy kilkukrotnie powtórzyć próby wskazań, aż osiągniemy zadowalające wyniki wpasowania. W omawianym przykładzie połączenia, które osiągnęły wartość błędu na poziomie 1cm, najczęściej były kilkukrotnie poprawiane i nie było możliwe osiągnięcie mniejszej wartości błędu. Prawdopodobnie więc wybrane do połączeń punkty nie zostały jednocześnie zeskanowane z dwóch łączonych stanowisk i wskazaniu uległy punkty sąsiednie. Metoda wymaga więc dobrego zaplanowania stanowisk na etapie przedwstępnym tak, aby widoczne były charakterystyczne, łatwe do zidentyfikowania punkty z obu stanowisk. Warto też zastosować dodatkowe skanowanie wybranych do połączenia elementów w wysokiej rozdzielczości. Pozwoli to na etapie opracowania uzyskać większe prawdopodobieństwo wskazania tego samego punktu na obu łączonych chmurach punktów, a przez to uzyskanie zadowalających wyników połączeń. Elementy, które wybierzemy do połączeń powinny się charakteryzować łatwymi do zidentyfikowania miejscami (np. ostre narożniki cegieł). Należy unikać elementów połyskliwych, zaokrąglonych czy o nietypowej strukturze, ponieważ rejestrowane na takich powierzchniach punkty często ulegają ześliźnięciu, czyli rejestracji z błędem. Są też trudne do jednoznacznej identyfikacji na podglądzie chmury punktów. Dobrze również, jeśli elementy służące do połączenia zostały

96 zeskanowane pod odpowiednim kątem, a więc w przypadku idealnym powinny być elementami ustawionymi prostopadle do wiązki lasera. 96 Niestety w omawianym przykładzie niemożliwy był dokładny wybór i skanowanie w wysokich rozdzielczościach elementów wewnątrz obiektu, ze względu na mocno ograniczony czas przeznaczony na prace w tym miejscu. Skany elementów w wysokiej rozdzielczości zastosowano jednak w przypadku stanowisk zlokalizowanych na dziedzińcu budynku, dzięki czemu możliwe było ich wzajemne zorientowanie, jak i połączenie ich ze stanowiskami zlokalizowanymi na dachu budynku. Mimo dużych odległości do skanowanych obiektów osiągnięto dzięki temu zadowalające wyniki dokładności połączeń na poziomie kilku mm. Dla elementów zlokalizowanych bliżej, dokładność była zbliżona lub identyczna jak dla metody znaczków. Rys Zeskanowany w wysokiej rozdzielczości front komina mimo dużej odległości od skanera pozwolił na połączenie metodą chmura do chmury skanów z dziedzińca i dachu budynku Można więc bez wątpienia stwierdzić, że ta metoda jest przydatna i użyteczna w sytuacjach awaryjnych. Niemniej jest opcją bardzo czasochłonną w opracowaniu i wymagającą szczególnej uwagi i planowania podczas pomiarów terenowych. Jej umiejętne użycie wymaga więc pewnego doświadczenia. W wielu przypadkach jej użycie może się jednak stać niezbędne, podobnie jak w omawianym przykładzie skanów wykonywanych wewnątrz zabytkowego obiektu sakralnego, gdzie nie można rozmieścić znaczków pomiarowych, a czas na same pomiary jest mocno ograniczony Metodą dopasowania modeli Kolejną i ostatnią użytą w opracowaniu metodą orientacji chmur punktów była metoda dopasowania wymodelowanych elementów. W przeciwieństwie do metody chmury punktów nie wskazuje się programowi pojedynczych punktów dostosowania, ale cały element, który uprzednio należy odpowiednio wymodelować. Algorytmy programu na podstawie porównania modeli z dwóch chmur punktów wyliczą parametry transformacji. W omawianym przykładzie wykorzystano modele

97 sferyczne, które utworzono na niebieskich, okrągłych tarczach. Modele należało utworzyć w przestrzeniach modelu poszczególnych stanowisk, po czym skopiować je do przestrzeni kontrolnej i wskazać podczas wykonywania jako elementy tożsame. Do wykonania orientacji jedynie z użyciem tej metody potrzeba minimum dwóch sferycznych modeli. W omawianym przypadku metoda modeli stanowiła jednak jedynie dodatkowe połączenie i nie była używana jako podstawowa metoda powiązań. Posłużyła jedynie jako metoda wspomagająca dodatkowym powiązaniem skany łączone z użyciem tarczek identyfikacyjnych. 97 Rys U góry widok skanu okrągłej tarczy, na dole już wymodelowane sfery wskazywane w dwóch chmurach punktów podczas procesu orientacji Wymodelować można również inne elementy służące do powiązań walce, stożki, prostopadłościany. Modele można do przestrzeni wstawić (tak jak zrobiono w tym przypadku), wskazując punkty zaczepienia i podając odpowiednie parametry. Jeśli jednak w terenie został zeskanowany odpowiedni obiekt, można go wymodelować używając dopasowania modelu do chmury punktów poleceniem Fit to Cloud. Warto tu wspomnieć o możliwości modelowania narożników z trzech przecinających się płaszczyzn. Polecenie może być użyteczne w przypadku skanów wykonywanych np. wewnątrz pomieszczeń, gdzie naturalne narożniki tworzą przecięcia płaszczyzn ścian i sufitu. Niestety na wykonanych skanach nie zidentyfikowano sytuacji dogodnej do wykorzystania tej metody Identyfikacja i próby rozwiązania problemów, filtracja danych Orientacja przesuniętych skanów na dachu budynku Pierwszym ze zidentyfikowanych problemów, wspomnianym już wcześniej, bo odkrytym na etapie oceny przydatności do dalszego wykorzystania poszczególnych skanów, było wzajemne przesunięcie i nałożenie się skanów na jednym ze stanowisk pomiarowych na dachu budynku. Ponieważ zarejestrowane chmury punktów prezentowały mimo wszystko pokaźną ilość użytecznych

98 98 danych, postanowiono je wykorzystać podejmując próbę orientacji stanowisk. Aby tego dokonać konieczne było jednak wykonanie kilku dodatkowych kroków. Niemożliwe było wykonanie orientacji, używając standardowych metod bezpośrednio na chmurze punktów, jako że zawierała ona kilka skanów, które nie były wzajemnie zorientowane. W standardowym przypadku z każdego stanowiska tworzony jest ScanWorld zawierający chmurę punktów składającą się z wszystkich wykonanych na danym stanowisku skanów. Ponieważ instrument pozostaje nieruchomo, wszystkie skany są względem siebie zorientowane. Dzięki temu na etapie opracowania wystarczy zorientować jedynie wybrany skan/skany składające się na daną chmurę punktów, a orientacji względem innych chmur punktów ulegają również wszystkie pozostałe skany. W przypadku stanowiska Station-002 instrument podczas pracy uległ przesunięciu. Wykonane zostały dwa panoramiczne skany, które nałożyły się. Ponieważ jednak fizycznie wykonane zostały z różnych stanowisk, nie można ich uznać za zorientowane względem siebie. Oprogramowanie nie wykryło błędu i nałożyło na siebie skany, podobnie jak ma to miejsce w standardowej sytuacji. Podczas oceny przydatności skanów zauważono jednak, że skany są względem siebie przesunięte. Aby zarejestrowane dane były zdatne do wykorzystania w procesie tworzenia modelu budynku, należało znaleźć sposób na ich zorientowanie względem pozostałych Scan Worlds. Rys Po lewej skan z przesunięciami widocznymi na wieżyczce oraz zakrytych tarczkach, po prawej poprawnie wyselekcjonowany skan w nowo otworzonej przestrzeni kontrolnej, z widocznymi tarczkami, przygotowany do orientacji z innymi stanowiskami Zdecydowano, że aby było to możliwe, przesunięte względem siebie skany należy podzielić, a następnie dokonać orientacji każdego z nich osobno. W tym celu utworzono dwa dodatkowe, wirtualne stanowiska, w których utworzono nowe Scan Worlds. Z oryginalnego Scan World wycięto jeden ze skanów panoramicznych i wklejono do nowo utworzonego Scan World, po czym utworzono nowy Model Space. W przestrzeni modelu podejrzano chmurę punktów i po upewnieniu się, że nie występują żadne dodatkowe błędy/przesunięcia wzajemne zarejestrowanych punktów, dokonano zaznaczenia ich wszystkich i skopiowano je do przestrzeni kontrolnej. Podobne postępowanie wykonano w przypadku drugiego zarejestrowanego Scan World. Okazało się jednak, że jest on niekompletny i niektóre z jego punktów zostały zarejestrowane błędnie (z przesunięciem), co może oznaczać, że to właśnie podczas wykonywania tego skanu nastąpiło przesunięcie instrumentu. Nie można też było mieć pewności co do poprawnej rejestracji tarczek identyfikacyjnych, ponieważ zostały one przesłonięte przesuniętymi fragmentami skanu. Aby zorientować fragmenty opisanej chmury punktów, co do której można było mieć pewność, że została pomierzona w sposób ciągły, należało dokonać dalszego podziało, korzystając z obwiedni i kopiując fragmenty skanu

99 do nowych Model Space, a następnie Model Space kopiując do nowo utworzonych Stanowisk i kopiując zawarte w nich punkty do przestrzeni kontrolnych. W takim przypadku ich zorientowanie możliwe było jedynie metodą chmura do chmury, o ile na skanach z innych stanowisk zawarte były te same elementy. Ponieważ jednak w przypadku pierwszego z omówionych skanów nie zidentyfikowano większych problemów i był on niemal kompletny, zdecydowano o odstąpieniu od ostatecznej orientacji poszczególnych fragmentów skanu drugiego metodą chmura do chmury z uwagi na czasochłonność takiego procesu i wątpliwą korzyść z jego przeprowadzenia. Ostatecznie więc do wyselekcjonowanego wcześniej skanu skopiowanego do nowego Scan World i nowej przestrzeni kontrolnej skopiowano dodatkowo skany tarczek. Jak się okazało, wszystkie skany się uzupełniały i nowo utworzone stanowisko z powodzeniem udało się zorientować w stosunku do stanowisk sąsiednich metodą tarczek identyfikacyjnych Błędna identyfikacja tarcz Jak wspomniano podczas omawiania procesu orientacji chmur punktów metodą tarczek identyfikacyjnych, należy baczną uwagę zwracać na poprawność wytypowanych przez algorytmy programu punktów. W niemal wszystkich przypadkach typowania są słuszne. Problemy zauważono przy skanach tarczek wykonanych pod małym kątem (poniżej stopni). W takich przypadkach zdarza się, że wytypowany przez program punkt środka tarczy okazuje się błędny, co może mieć niebagatelny wpływ na wyniki orientacji. Aby uniknąć potencjalnych błędów należy w miarę możliwości skanować tarczki pod kątem jak najbardziej zbliżonym do prostego. Niekiedy nie jest to jednak możliwe. Jeśli jednak algorytm programu źle wytypuje środek tarczy, możemy go wpasować ręcznie przesuwając znacznik w odpowiednie miejsce. Należy jednak zaznaczyć, że ręczne typowanie środka tarczy najczęściej nie daje idealnych efektów za pierwszą próbą, szczególnie przy skanach tarcz wykonanych pod małym kątem, gdzie gęstość siatki punktów jest ograniczona. Znacznik możemy bowiem zaczepić tylko i wyłącznie w pomierzonym punkcie lub nadając mu wyimaginowane współrzędne, nie można jednak ręcznie zawiesić go w przestrzeni pomiędzy punktami. Dobrą metodą może być jednak wstępna rejestracja po ręcznym wpasowaniu celem sprawdzenia wektorów błędu. Jeśli są one na niskim poziomie można położenie znacznika zaakceptować. Jeśli natomiast przekraczają założone wartości, można położenie znacznika poprawić i spróbować ponownej rejestracji powtarzając wymienione kroki aż do uzyskania zadowalających efektów. Rys Błędnie wytypowany przez algorytmy programu środek tarczy zeskanowanej pod dużym kątem (po lewej) i ręczne poprawienie pozycji znacznika (po prawej)

100 Podczas stabilizacji tarczek w terenie należy też zwrócić uwagę na ich stabilność. Jeśli będą się przemieszczać pomiędzy pomiarami, mimo poprawnego wpasowania znacznika w środek tarczy orientacja zawierała będzie błędy. Jeśli natomiast tarcza poruszać się będzie podczas pomiaru (np. będzie drgać na wietrze) zarejestrowana może zostać w kilku fazach ruchu i zidentyfikowanie środka tarczy nie będzie możliwe Orientacja stanowisk z wąskim pokryciem wzajemnym i małą ilością powiązań 100 Trudności podczas orientacji mogą dostarczać niedostateczne powiązania pomiędzy sąsiednimi stanowiskami. Na etapie planowania położenia stanowisk należy przewidzieć system powiązań i wybrać miejsca zarówno dla instrumentu, jak i dla znaczków wiążących tak, aby możliwe było łatwe zorientowanie chmur punktów. Nie zawsze jednak jest taka możliwość. W omawianym przykładzie trudności mogły wystąpić przede wszystkim w przypadku powiązania stanowisk sąsiednich zlokalizowanych w okolicy wąskiej uliczki rozdzielającej Kaplicę Królewską oraz Kościół Mariacki, w przypadku łączenia chmury z zewnątrz obiektu z chmurą punktów utworzoną ze stanowisk wewnątrz Kaplicy oraz w przypadku łączenia stanowisk z dachu obiektu z tymi wewnątrz. W każdym z tych przypadków bardzo ograniczone były możliwości wzajemnego pokrycia skanów, jak i dogodnego rozmieszczenia znaczków identyfikacyjnych. Ponieważ nie uniknięto skanowania znaczków pod bardzo dużym kątem, nie zawsze algorytmy programu poradziły sobie z poprawnym typowaniem środka tarczy i zachodziła konieczność ręcznego poprawiania znaczników, co opisano w punkcie Dla lepszego powiązania stanowisk zastosowano tez w miarę możliwości dodatkowe połączenia metodą chmura do chmury. Zwiększanie liczby powiązań i iteracyjne sprawdzanie ich jakości oraz poprawianie pozwoliło na połączenie stanowisk. W przypadku łączenia stanowisk zlokalizowanych za budynkiem (w uliczce przy Kościele Mariackim) wykonywanie połączeń w zasadzie nie było konieczne do utworzenia modelu. Stanowiska zostały bowiem powiązane pośrednio przez serię stanowisk zlokalizowanych wokół obiektu. Teoretycznie więc zarejestrowane punkty zostały transformowane do jednego układu współrzędnych. Można mieć jednak wątpliwości co do jakości powiązania wykonanego z tak dużą ilością stanowisk pośrednich. Każde z kolejnych powiązań może wnosić do orientacji swoje błędy, co może skutkować błędami na styku elementów mierzonych z sąsiednich stanowisk, nie powiązanych ze sobą bezpośrednio. Podobna sytuacja może wystąpić w przypadku ścian, które zeskanowane zostały z jednej strony, a następnie z drugiej ze stanowiska, które ze stanowiskiem pierwszym powiązane jest pośrednio przez kilka a nawet kilkanaście dodatkowych stanowisk. Wątpliwość tę należałoby sprawdzić w dodatkowym pomiarze badawczym. Już po zakończeniu pomiarów, w trakcie opracowania danych wysunięto też pomysł rozwiązania problemu przez dodanie wirtualnych powiązań pomiędzy stanowiskami o wąskim pokryciu wzajemnym, dla których nie możliwe było wykonanie orientacji bezpośredniej. Zaproponowano zamierzenie znaczków widocznych zarówno dla jednego, jak i drugiego stanowiska z użyciem metod geodezyjnych wysokiej dokładności (np. tachimetrii w oparciu o założoną tymczasowo osnowę pomiarową). Następnie współrzędne wszystkich znaczków można transformować do układu jednego, jak i drugiego stanowiska, korzystając ze znaczków zamierzonych

101 bezpośrednio skanerem w obu przypadkach jako punktów dostosowania transformacji. W ten sposób otrzymujemy współrzędne wszystkich znaczków w dwóch układach współrzędnych, właściwych dla obu stanowisk skanera. Po takim zabiegu należy dodać znaczki do przestrzeni kontrolnych obu stanowisk. Najpierw nadając identyfikatory znaczkom widocznym dla skanera, a następnie dodając znaczki wirtualne w postaci modeli kąta, którym nadane mogą zostać współrzędne uzyskane z transformacji. Dzięki takiemu zabiegowi w przestrzeni kontrolnej znajdować będą się wszystkie znaczki, mimo że w praktyce skaner widział tylko część z nich. Wykorzystanie ich do powiązania może skutkować znaczną jego poprawą. Omówioną metodę można zastosować także do poprawy jakości powiazań stanowisk z dwóch stron ścian, które w sposób oczywisty nie mogą bezpośrednio widzieć tych samych znaczków identyfikacyjnych, a dodatkowo często nie jest w ich przypadku możliwe powiązanie metodą chmura do chmury. Na dokładność takiej metody może mieć wpływ dokładność wyznaczenia współrzędnych znaczków. Mając jednak na uwadze wysokie dokładności współczesnych metod i sprzętu geodezyjnego wyznaczenie pozycji znaczków nawet z milimetrową dokładnością nie stanowi wielkiego problemu Filtracja danych przypadkowych i nieidentyfikowalnych W zasadzie podstawowym problemem skaningu laserowego pozostaje rejestracja dużej ilości danych przypadkowych, niepożądanych i utrudniających wykorzystanie modelu 3D (Rys. 7.19). Można mówić o tak zwanych szumach, czyli nieidentyfikowalnych obiektach pomierzonych w przestrzeni objętej skanem. Filtracja, czyli usunięcie z przestrzeni kontrolnej obiektu szumów jest najbardziej pracochłonną czynnością w procesie pozyskiwania danych ze skaningu laserowego i stanowi jedno z podstawowych ograniczeń tej metody, ponieważ nie ma skutecznych metod automatycznego usuwania wszystkich tego typu danych. Pomocne mogą być filtry eliminujące np. obiekty o określonym współczynniku odbicia, czy zlokalizowane w zadanej odległości od skanera, ale nadal jednak konieczne jest ręczne przeanalizowanie przestrzeni kontrolnej pod kątem obecności szumów i ich ewentualne usunięcie. Niekiedy szumy nie wpływają na jakość opracowania i nie przeszkadzają w dalszym opracowaniu, ale z reguły jednak muszą zostać poddane filtracji. Niemożliwe staje się na przykład wykorzystywanie modelowania powierzchni, które korzysta z mechanizmów tworzących siatki TIN (trójkątów) łączące najbliższe punkty. Obecność szumów powoduje błędne utworzenie siatek TIN i powstanie powierzchni nie odwzorowujących rzeczywistości.

102 102 Rys Duża liczba nieprzydatnych obiektów zarejestrowanych wokół obiektu skanowanego w nieprzefiltrowanej przestrzeni kontrolnej Przyczyn powstawania szumów jest wiele. Podstawową z nich jest chwilowe znalezienie się w obszarze skanowania niepożądanych obiektów jak przypadkowi przechodnie, ptaki, zwierzęta, pojazdy czy krople deszczu. Jeśli elementy te znajdują się w ruchu najczęściej uwidocznione zostaną w postaci smug czy linii punktów zlokalizowanych w przestrzeni. Najczęściej ciężko jest scharakteryzować konkretne cechy tego typu obiektów i konieczne jest ręczne ich zidentyfikowanie i usunięcie. Oprócz szumów filtracji poddawane są też dane zarejestrowane dodatkowo, ale nieprzydatne w dalszym opracowaniu. Są to przykładowo okoliczne obiekty czy podłoże wokół skanowanego obiektu. Przy wykonywaniu skanu panoramicznego rejestrowane są wszystkie obiekty w zasięgu działania skanera, od którego odbić mogła się wiązka lasera. Wiele z tych danych nie będzie przydatna w opracowaniu i może zostać usunięta, odciążając tym samym procesy obliczeniowe komputera Przesunięcie punktów na szybach Szczególnym przykładem elementów podlegających skanowaniu w przypadku obiektów budowlanych są szyby okienne i witraże. Jako tak zwane przegrody transparentne (czyli przezroczyste bądź półprzezroczyste) często nie odbijają światła laserowego w prosty sposób jak inne przeszkody nieprzezroczyste. Jest to jeden z problemów przy wykorzystaniu metody skaningu laserowego. Punkty rejestrowane po odbiciu wiązki lasera od szyby często rejestrowane są z błędem. Błąd zależy od wielu czynników, między innymi grubości, przezroczystości, czystości czy struktury szyby. W omawianym przykładzie wyróżnić można trzy szczególne przypadki odpowiadające trzem różnym rodzajom szyb. Pierwszy z nich to zeskanowane duże, kolorowe witraże na ścianie frontowej budynku. Szkło w witrażach jest grube, bardzo ciemne, a dodatkowo jest chropowatej struktury i pokrywa je cienka warstwa kurzu. Wszystkie te czynniki złożyły się na to, że szyby witrażowe zostały zarejestrowane praktycznie bez błędów przypadkowych. Porównanie powierzchni zeskanowanej z jednej, jak i z drugiej strony ściany obiektu, pokazuje spójność i jednoznaczność zeskanowanej

103 powierzchni. Drugi przypadek to duże, przezroczyste szyby umieszczone w otworach okiennych Kaplicy. W tym przypadku wiązka lasera została odbita od szyby, jednak z zauważalnym błędem. Co ciekawe błąd jest stały i ma ten sam charakter dla niemal wszystkich punktów zarejestrowanych na powierzchni szyby. Efektem tego jest zauważalne przesuniecie równoległe skanu względem powierzchni rzeczywistej wzdłuż wiązki lasera Rys Przesunięcie (mierzone na podstawie skanu szyby w stosunku do skanu ramy okiennej) można oszacować na kilkadziesiąt centymetrów. Można więc wnioskować, że prawdopodobnie wiązka lasera po natrafieniu na przeszkodę w postaci szyby odbiła się od jej wewnętrznej powierzchni i uległa wielokrotnemu odbiciu wewnątrz tafli szkła. Podczas penetracji szyby prędkość światła uległa też chwilowemu spowolnieniu (ze względu na wysoką gęstość ośrodka), co w efekcie spowodowało wydłużenie czasu jej drogi od nadajnika do odbiornika zamontowanego w skanerze, a tym samym błędne obliczenie odległości mierzonych punktów od centrum skanera, a wiec i błędne wyliczenie współrzędnych punktów. Prawdopodobnie jednak samo zjawisko wielokrotnego odbicia powinno spowodować mniejsze błędy pomiaru odległości. Niektóre teorie mówią o przekłamaniach w pomiarze odległości na skutek osłabienia sygnału i długotrwałego ładowania detektora promieniowania elektromagnetycznego [Hodge R. A., 2009]. 103 Rys Przesunięte w stosunku do płaszczyzny ściany płaszczyzny szyb Trzeci przypadek stanowią szyby w części mieszkalno-biurowej budynku Kaplicy Królewskiej. Zamontowane tam przezroczyste szyby praktycznie w całości przepuściły wiązkę lasera, umożliwiając rejestrację powierzchni wewnątrz pomieszczeń obiektu ze stanowisk zlokalizowanych na zewnątrz obiektu. Nie da się jednak ocenić, z jakim błędem dane te zostały zarejestrowane. Z punktu widzenia osoby opracowującej dane ze skaningu laserowego, z wyjątkiem przypadku pierwszego, w którym możemy mieć pewność co do poprawności zarejestrowanych danych, dzięki kontroli w postaci skanu z obu stron powierzchni szyby i zauważalnej spójności zarejestrowanych danych, pozostałe dane stanowią dane nieprzydatne i podlegają filtracji. Co do powierzchni zarejestrowanych z przesunięciem nie mamy szczegółowych informacji co do prawdziwej wartości przesunięcia każdego z punktów, więc nie możemy ich wykorzystywać.

104 Aby zwiększyć prawdopodobieństwo poprawnej rejestracji punktów znajdujących się na powierzchni szyb, można zastosować specjalne przygotowanie tych powierzchni, np. okrywanie ich nieprzepuszczającymi wiązki lasera foliami, sprayami ziarnistymi itp Odblaski nieidentyfikowalne 104 Podczas opracowania danych wykryto punkty, które nie odpowiadały żadnemu fizycznemu elementowi znajdującemu się w terenie. Nie wykryto też powodu, dla którego punkty zostały zarejestrowane. Niezidentyfikowane odblaski ułożyły się w liniowe obiekty zaczynające się blisko skanera i umieszczone wzdłuż jednej linii leżącej na prostej przechodzącej przez środek skanera (Rys. 7.21). Rozmieszczenie punktów na całej długości zakresu działania skanera wyklucza zeskanowanie przypadkowego obiektu fizycznego. Być może błędna rejestracja wyniknęła z błędu oprogramowania urządzenia skanującego, bądź z rejestracji przez detektor urządzenia przypadkowych fal elektromagnetycznych. Źródła odblasków nie udało się ustalić. Zostały one na etapie filtracji usunięte z przestrzeni kontrolnej jako dane nie wnoszące wartości informacyjnej do tworzonego modelu. Rys Niezidentyfikowany odblask wzdłuż wiązki wychodzącej z centrum skanera Odbicia od połyskliwej kopuły Powierzchnie połyskliwe stanowią problem dla urządzeń skanujących wykorzystujących wiązkę światła laserowego. W przypadku tego typu powierzchni często dochodzi do przypadkowych odbić lasera. Powierzchnie nie są więc rejestrowane, gdyż światło odbijane jest w nieodpowiednim kierunku, bądź są rejestrowane z błędem, np. przesunięciami wynikającymi choćby z wydłużenia drogi wiązki lasera przez przypadkowe odbicia. W omawianym przykładzie cechy powierzchni połyskliwej miała kopuła obiektu. Można zauważyć, że im mniejszy kąt, pod jakim padała wiązka lasera na obiekt, tym większe

105 prawdopodobieństwo, że zostanie ona błędnie zarejestrowana bądź nie zostanie zarejestrowana w ogóle. O ile w przypadku powierzchni chropowatych kąt, pod jakim były one bezproblemowo rejestrowane, mógł być bardzo mały (nawet stopni) i powodował jedynie spadek rozdzielczości, o tyle punkty na powierzchni połyskliwej już przy kącie padania stopni były rejestrowane w słabej rozdzielczości, co może świadczyć o wysokim współczynniku odbić przypadkowych wiązki lasera. Należałoby więc dążyć do wykonywania skanu pod możliwie najbardziej zbliżonym do dziewięćdziesięciu stopni. Nie zawsze jest to niestety możliwe. Innymi metodami, które mogą poprawić jakość skanu powierzchni połyskliwych, może być chociażby pokrycie ich pyłem zwiększającym chropowatość powierzchni (np. kredowym) Skan wschodniej ściany przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych 105 Stanowisko skanera, z którego wykonano główny skan ściany wschodniej obiektu, było ostatnim stanowiskiem realizowanym w ciągu dnia kampanii pomiarowej. Niestety z powodu nasilającego się deszczu konieczne było maksymalne skrócenie czasu wykonywania skanu. Zdecydowano się więc na ograniczenie nominalnej rozdzielczości skanu. Mimo wszystko skan wykonany był w warunkach deszczowych, co poskutkowało rejestracją dużej ilości danych przypadkowych w postaci kropel deszczu. W przypadku silnego deszczu wykonywanie przydatnych skanów jest bardzo utrudnione bądź wręcz niemożliwe, ponieważ wiązka lasera w większości przypadków trafia na krople deszczu i rejestruje szumy zamiast przydatnych danych pomiarowych Doprowadzenie do widoku zamkniętych otworów drzwiowych Aby połączyć chmury punktów zarejestrowane wewnątrz, jak i na zewnątrz obiektu, konieczne jest wykonanie skanów przy otwartych otworach drzwiowych/okiennych. Otwarte ramy drzwiowe czy okienne zasłaniają jednak obiekt i są nieestetyczne na gotowym modelu obiektu. Aby tego uniknąć postanowiono, oprócz skanów przy drzwiach otwartych, wykonać również skany przy drzwiach zamkniętych. Powstaje jednak problem spójności danych. Przy podglądaniu przestrzeni kontrolnej modelu widzimy zamknięty otwór drzwiowy, a jednocześnie otwartą ramę, zachodzi zatem zdublowanie tej samej powierzchni drzwi w dwóch miejscach przestrzeni. Opracowanie danych polega między innymi na usunięciu tego typu niejednoznaczności (Rys. 7.22). Rys Drzwi w podstawie kopuły Kaplicy. Po lewej opracowanie pośrednie z usuniętym, otwartym skrzydłem drzwiowym, po prawej opracowanie końcowe z widokiem zamkniętego otworu drzwiowego bez dodatkowego skrzydła drzwi

106 106 Zastosowano tu metodę podobną do tej, którą użyto w przypadku orientacji przesuniętych skanów na dachu (punkt 7.9.1). Skan, na którym drzwi znajdują się w pozycji zamkniętej, przeniesiono do nowo utworzonej przestrzeni kontrolnej, do której skopiowano dodatkowo punkty łączące z przestrzeni, na której dokonano ich wyboru (przestrzeni, w której pozostawiono jedynie drzwi w pozycji otwartej). W ten sposób otrzymano dwie przestrzenie kontrolne. W jednej z nich umieszczone były drzwi w pozycji otwartej oraz punkty identyfikacyjne służące do połączenia skanów, w drugiej te same punkty oraz drzwi w pozycji zamkniętej. Na tym etapie zastosować można dwa rozwiązania. Pierwsze polega na całkowitym usunięciu przestrzeni z drzwiami otwartymi i zastosowanie do orientacji jedynie przestrzeni z drzwiami zamkniętymi. Drugie rozwiązanie to ręczne usunięcie z przestrzeni z drzwiami otwartymi skrzydła drzwiowego (Rys po lewej) i dołączenie również tej przestrzeni do orientacji. Drugie rozwiązanie umożliwia polepszenie rozdzielczości ogólnej skanu, wymaga jednak większego nakładu pracy. Należy zatem przeanalizować, w jakiej rozdzielczości wykonywane były poszczególne skany i czy włączenie do orientacji skanu z przestrzeni z drzwiami otwartymi jest konieczne, czy też można je pominąć bez wyraźnej szkody dla jakości opracowania Widoczność znaczków na modelu Podczas planowania położenia znaczków identyfikacyjnych należy umieszczać je poza obiektem skanowanym, wykorzystując okoliczne trwałe obiekty. Dzięki temu skanowany obiekt będzie czysty i nie przesłonięty, co pozwoli na jego pełniejszą rejestrację. Obecność dużej ilości znaczków może pogorszyć estetykę (Rys. 7.23), jak i przesłonić część cennych informacji. Niestety nie zawsze usytuowanie znaczków poza obiektem jest możliwe. Można wtedy wykorzystać znaczki umieszczone na statywach rozmieszczonych w okolicy, należy jednak zachować szczególną ostrożność i uważać, aby nie zostały one poruszone. Dla bezpieczeństwa należy też rozmieścić więcej niż wymagane trzy znaki tego typu. Rys Znaczki identyfikacyjne widoczne w chmurze punktów

107 Podczas opracowania danych wymyślono jeszcze jeden sposób na wykorzystanie do połączenia chmur punktów znaczków zlokalizowanych na skanowanym obiekcie, a jednocześnie ukrycie ich na opracowywanym modelu. Wymagałoby to jednak zamierzania takich znaczków metodami geodezyjnymi, a następnie wykonywanie skanów w taki sposób, aby z każdego stanowiska zeskanowane był minimum 3 znaczki, które następnie będą zdjęte, a miejsca w których były umieszczone zostaną ponownie zeskanowane. Dzięki zaproponowanej w punkcie metodzie dodawania wirtualnych znaczków, możliwe będzie podczas opracowania dodanie znaczników, których skaner fizycznie nie widział i wykonanie orientacji. Metoda ta wymagałaby jednak umieszczania dużej liczby znaczków pomiarowych, a dodatkowo jest dosyć skomplikowana i wymaga dużej uwagi podczas wykonywania pomiarów. Szybszą i skuteczniejszą może okazać się metoda rozmieszczania znaczków na statywach z zachowaniem szczególnej ostrożności. W ostateczności można wykorzystać połączenia metodą chmura do chmury bądź metodą elementów modelowanych Błędy w wykonywaniu zdjęć Na niektórych stanowiskach oprócz skanów wykonano także zdjęcia, które mogą posłużyć do nadania chmurze punktów realistycznych kolorów dzięki kolorowaniu. Niestety nie na wszystkich stanowiskach wykonanie takich zdjęć było możliwe. Przy stanowiskach zlokalizowanych na dachu problem stanowił brak stabilnego podparcia skanera. Podczas wykonywania zdjęć wykonuje on dość gwałtowne ruchy, co powodowało jego rozpoziomowanie. Ostatecznie więc zrezygnowano z wykonywania zdjęć dla tych stanowisk. Zdjęć nie wykonano również w przypadku stanowisk zlokalizowanych wewnątrz obiektu. Powodem było przede wszystkim poważne ograniczenie czasowe, a także warunki oświetleniowe wewnątrz Kaplicy. Panujący wewnątrz półcień wymagałby wykonania dodatkowego doświetlenia, aby uzyskane na zdjęciu kolory dobrze oddawały rzeczywistość. Zdjęcia wykonano natomiast dla stanowisk zlokalizowanych wokół obiektu, z wyjątkiem ostatniego realizowanego stanowiska, podczas którego rozpoczęły się opady deszczu i niemożliwe było wykonanie odpowiednich fotografii. Przy wykonywaniu zdjęć również można napotkać problemy. Jednym z nich mogą być przypadkowe obiekty w kadrze podczas wykonywania zdjęcia. W przeciwieństwie do wykonywania skanu, zdjęcie nie jest tworzone liniami, ale jest rejestrowane w jednym momencie na dużej powierzchni matrycy. Z tego powodu np. przechodząca przed obiektywem osoba w momencie wykonywania zdjęcia może skutecznie zepsuć efekt. Program podczas kolorowania pikseli nada im barwy odpowiadające elementowi, który pojawił się w kadrze, przez co uzyskamy zrzutowany na zeskanowaną płaszczyznę obraz przypadkowego obiektu. Innym problemem podczas wykonywania zdęć mogą być warunki oświetleniowe. Dla uzyskania możliwie najlepszego efekt obiekt powinien być oświetlony równomiernie. Wszelkie cienie będą widoczne i zrzutują na efekt końcowy. Warto również zauważyć, że aparat zainstalowany w skanerze jest dość wrażliwy na warunki oświetleniowe i ich zmiany. Przy słabych warunkach oświetleniowych wyraźnie zauważalne są krawędzie wykonanych zdjęć. Zrzutowanie takich kolorów na chmurę punktów daje bardzo nieestetyczny efekt, dlatego też zrezygnowano całkowicie z wykonywania zdjęć wewnątrz obiektu.

108 7.10. Martwe strefy 108 Mimo dołożenia starań podczas planowania pozycji stanowisk pomiarowych, nie wszystkie aspekty da się odpowiednio przewidzieć. Czasem źle usytuowane stanowisko (bądź brak możliwości lepszego usytuowania) prowadzi do powstania tak zwanych martwych stref, czyli elementów obiektu, które nie zostały zeskanowane (Rys. 7.24), ponieważ zostały zasłonięte przez inne obiekty, bądź znajdowały się w położeniu niedostępnym dla wiązki lasera. Należy dążyć do eliminacji martwych stref już podczas kampanii pomiarowej, chociażby na bieżąco podglądając wykonane skany i korygując sytuowanie stanowisk lub dodając kolejne stanowiska tak, aby nie dopuścić do powstania stref pozbawionych skanowania. Nie zawsze jest jednak możliwe usytuowanie stanowisk tak, aby zeskanować wszystkie elementy obiektu. Przykładem mogą być tu górne powierzchnie gzymsów ściennych Kaplicy. Aby je zeskanować instrument musiałby znajdować się nad obiektem, co z oczywistych względów nie jest możliwe przy naziemnym skaningu laserowym. Wyeliminowanie tego typu sytuacji wymagałoby uzupełnienia pomiarów o skany lotnicze. Rys Martwe strefy na dachu budynku Innym miejscem, w którym powstały martwe strefy, były fragmenty dachu zasłonięte przez masandry oraz znajdujące się pod bardzo małym kątem w stosunku do wiązki lasera, co uniemożliwiło ich rejestrację. Aby poprawnie zeskanować te elementy, należałoby możliwie oddalić się od obiektu i wykonać skan o wysokiej rozdzielczości nominalnej. Zwiększony kąt padania wiązki lasera z pewnością poprawiłby jakość rejestracji. Powstanie martwych stref mogą też powodować przypadkowe obiekty, które znalazły się w zasięgu działania skanera i przesłoniły właściwy obiekt skanowany. O przykładach takich obiektów wspomniano już w podrozdziale dotyczącym filtracji danych. Aby uniknąć martwych stref powodowanych przez przypadkowe obiekty, warto zapewniać szerokie pokrycie wzajemne stanowisk sąsiednich, co minimalizuje prawdopodobieństwo tego, że element obiektu nie zostanie zeskanowany przynajmniej z jednego ze stanowisk.