POZYSKIWANIE DANYCH METODĄ SKANINGU LASEROWEGO DLA MODELI 3D OBSZARÓW ZDEGRADOWANYCH GÓRNICTWEM ODKRYWKOWYM

Transkrypt

1 POZYSKIWANIE DANYCH METODĄ SKANINGU LASEROWEGO DLA MODELI 3D OBSZARÓW ZDEGRADOWANYCH GÓRNICTWEM ODKRYWKOWYM DATA ACQUISITION BY LASER SCANNING FOR 3D MODELS OF AREAS DEVASTATED BY OPEN-PIT MINING Cezary Toś, Bogdan Wolski, Leszek Zielina Politechnika Krakowska, Instytut Geotechniki, Zakład Geodezji i Kartografii Środowiska ABSTRACT Process of recultivation of surface mining area is preceded by cartographic inventory of ground surface. Accuracy and details of inventory depends on kinds of planned projects and measurement conditions. The best method to acquire the data for model 3D, which replaces standard topographic map, is laser scanning. The alternative of the scanning technology presented in the paper consists in integrating laser scanning, digital photographs and tachimetrical measurements. The proposal let to achieve the level of accuracy which meets technical measurements on every level. Useability of the proposal has been verified by the authors as a case study of the Czatkowice Quarry. Key words: devasteted area, surface mining area, monitoring, 3D terrain model 1. Wprowadzenie Projekty techniczne przywracające wartość uŝytkową zdegradowanym terenom przygotowywane są na podstawie obszernych studiów morfologii terenu, uwarunkowań i procesów. W przypadku eksploatacji odkrywkowej jest to nie tylko problem obszaru eksploatacji, ale równieŝ terenów przyległych. W kaŝdym przypadku integralnym a z reguły pierwszym etapem działań inŝynierskich na zdegradowanych obszarach jest wykonanie specjalistycznej inwentaryzacji. Efektem inwentaryzacji w klasycznym ujęciu są mapy topograficzne i tematyczne, a obecnie przestrzenny model 3D. Model taki znacznie lepiej niŝ klasyczne opracowania geodezyjne pokazuje powierzchnie oraz detale waŝne z projektowego punktu widzenia. Model 3D jest wolny od uproszczeń, które są nieuniknione w przypadku klasycznej mapy geodezyjnej. Tylko na modelu 3 D moŝna wyeksponować pionowe ściany, nawisy skalne czy kawerny charakterystyczne dla wyrobisk kopalń odkrywkowych. Warunkiem na to, by taki model wygenerować jest pozyskanie danych spełniających warunki modelu, w zakresie dokładności oraz liczebności zbiorów obserwacji. Wybór metody pozyskiwania danych zaleŝy od wymaganego stopnia uszczegółowienia i lokalnych uwarunkowań. Analizując przydatność moŝliwych metod inwentaryzacji pod kątem sporządzeniu modeli 3D autorzy skoncentrowali się na metodzie skaningu laserowego wprowadzonym do praktyki inŝynierskiej w ostatnich kilku latach [Wunderlich T. 2002]. Mając na uwadze rozwiązanie przydatne w szerokiej praktyce inŝynierskiej, autorzy zmodyfikowali typową procedurę skaningu [TośC. i in. 2008], a uŝyteczność modyfikacji w zastosowaniu do przedmiotowego problemu inŝynierii środowiska sprawdzili na obszarze wyrobiska kamieniołomu Czatkowice. Jakkolwiek eksploatacja kamieniołomu nie jest zakończona, to mając na uwadze techniczne problemy pozyskiwania danych na obszarach zdegradowanych, obiekt moŝna uznać jako typowy. Pomiary zaprogramowano pod kątem moŝliwości wykorzystania skaningu laserowego do budowy modeli 3D, przy załoŝeniu Ŝe opracowana technologia powinna być mniej kosztowna niŝ obecnie stosowane metody skanowania.

2 Obiekt badań Wyrobisko kamieniołomu Czatkowice ma kształt niecki o średnicy około 1 km i głębokości 100m. Formę amfiteatralną tworzy 5 poziomów o róŝnicy wysokości około 20 m (Fot.1). Ściany wyrobiska mają bardzo nieregularne kształty. Efekt nieregularności znacznie powiększają liczne kawerny i nawisy. Część materiału zalega przy podstawie ścian w formie rumoszu skalnego, od drobnych odruchów do kilkumetrowych głazów. Nachylenie ściany jest prawie pionowe, przeciętnie wynosi około 90 g. Eksperyment badawczy obejmował pomiar jednej ściany o długości około 300 m i wysokości 20 m. Rys.1. Obiekt badań Uwzględniając uwarunkowania przyjęto następujące wymogi dla metody obserwacji: przeprowadzenie obserwacji bez dostępu do mierzonej ściany, prowadzenie obserwacji przy długościach celowych wynoszących co najmniej 200 metrów, a dochodzących do 500 m, odtworzenie bardzo skomplikowanej geometrii powierzchni adekwatnym modelem 3D o dokładności ok. 0.20m, pomiar poszczególnych punktów chmury z dokładnością 2-3 cm. 3. Wybór metody inwentaryzacji obiektu Dane do modelu 3 D moŝna pozyskać róŝnymi metodami geodezyjnymi, a mianowicie metodą tachimetryczną, metodą przekrojów, na podstawie zdjęć lotniczych, na podstawie zdjęć wykonanych ze stanowisk naziemnych, metodą skaningu laserowego. Efektem metody tachimetrycznej, wciąŝ powszechnie stosowanej w geodezji, jest mapa sporządzona na podstawie współrzędnych biegunowych punktów rozproszonych na całym obszarze. Metoda jest pracochłonna bowiem przy zróŝnicowanym terenie jest konieczność pomiaru duŝej liczby punktów, z których kaŝdy inwentaryzowany jest oddzielnie. W przypadku inwentaryzacji ściany bliskiej pionowej pomiar obejmuje tylko dolną i górną krawędź. Przestrzeń pomiędzy krawędziami jest generalizowana, oznaczona na mapie symbolem skarpy

3 241 Rys.2. Fragment klasycznej mapy obszaru kamieniołomu Metoda przekrojów sprowadza się do pomiaru terenu za pomocą przekrojów pionowych. Ograniczenie do pomiarów obiektu tylko w liniach jest bardzo duŝym uproszczeniem, niezaleŝnie od gęstości profili. Byłaby uzasadniona przy terenach o regularnym kształcie. PoniewaŜ tereny poeksploatacyjne są z reguły bardzo zróŝnicowane metoda ta nie nadaje się do zastosowania. Na ogół niezadowalająca okazuje się fotogrametria lotnicza. Jest to metoda przydatna w przypadku map mało uszczegółowionych, przynajmniej średnioskalowych. Dokładność pomiaru rzędnych wysokościowych jest mniej dokładna niŝ szczegółów sytuacyjnych, a w przypadku duŝych róŝnic jest mała. W przypadku pozyskiwania szczegółowych danych bardzo nieregularnych form terenowych i wielu charakterystycznych szczegółach właściwych pozostałościom po wyrobiskach takich jak lokalne nierówności, kawerny czy pionowe ściany metoda nie jest przydatna. Znacznie lepsze rezultaty niŝ fotogrametria lotnicza daje fotogrametria naziemna. Jednak szczegółowa analiza warunków pomiarowych na badanym terenie na pytanie o moŝliwość jej zastosowania dała odpowiedź negatywną. Pierwszy problem sprawiło znalezienie miejsca, z których moŝliwe byłoby wykonanie zdjęć. Dobrą dokładność uzyskuje się, gdy stosunek długości bazy do odległości od obiektu wynosi 1/3 1/5. Ze względu na obecne warunki i kształt inwentaryzowanej ściany zastosowanie fotogrametrii wymagałoby wykonania duŝej liczby fotogramów z niewielkiej odległości, albo dwóch z odległości około 300 m. Oba warianty były niekorzystne. DuŜa liczba zdjęć wymaga zasygnalizowania i pomiaru duŝej liczby punktów orientujących na obiekcie, co najmniej sześciu na kaŝdej stereoparze, co w warunkach danego obiektu było niewykonalne. RównieŜ łączenie wielu stereo par jest pracochłonne. Z kolei wykonanie zdjęć z odległości 300 m naleŝy odrzucić z uwagi na zbyt małą rozdzielczość obrazu. 4. Inwentaryzacja powierzchni terenu metodą skaningu laserowego MoŜliwości inwentaryzacji wykonanej klasycznymi pomiarami geodezyjnymi wzbogaca od kilku lat metoda skaningu laserowego. Pośród kilku wariantów zastosowania tej efektywnej metody pomiaru geodezyjnego autorzy wybrali technikę, która tym się róŝni od typowego skaningu, Ŝe pomiar wykonywany jest za pomocą programowanych tachimetrów. W metodzie tej, jak w kaŝdym pomiarze tachimetrycznym, określane są współrzędne biegunowe, które następnie są przeliczane na współrzędne w układzie prostokątnym. W przypadku, gdy stacja pomiarowa posiada serwomotor za pomocą komputera definiowane jest pole oraz parametry skanowania. Alternatywnie pole skanowania moŝna wskazać na wyświetlaczu komputera, na wcześniej wykonanym zdjęciu cyfrowym obiektu. Skanowanie wykonywane jest opcjonalnie w siatce kwadratowej lub prostokątnej. Dobór gęstości siatki jest kluczowym elementem metody, określa bowiem stopień szczegółowości z jaką model odtwarza rzeczywistość. Opracowując szczegóły proponowanej technologii skaningu autorzy, jako waŝny jej element, przyjęli przeprowadzenie oddzielnego pomiaru linii nieciągłości, które dla konstruowanego modelu

4 242 3D stanowią krawędzie struktur skalnych i ziemnych oraz wykonanie zdjęć cyfrowych. Zdjęcia dostarczają danych metrycznych oraz inwentaryzują fakturę powierzchni terenu. Skanowanie prezentowanego obiektu wykonano tachimetrem Topcon GP 8200SCAN z dwóch stanowisk przy odległości powierzchni skanowanej w przedziale m. Interwał zmian kąta w kierunku poziomym i pionowym przyjęto tak, by gęstość siatki nie przekroczyła 1 m. Wartość tę wyznaczono przy załoŝeniu, Ŝe model 3D powinien modelować powierzchnię z dokładnością 0.20 m. Jest to kompromis pomiędzy ekonomiką pomiaru a dokładnością wyniku. Taka dokładność modelu jest wystarczająca dla pokazania form terenowych, ale naleŝy teŝ zwrócić uwagę na fakt, Ŝe dane źródłowe jakimi są współrzędne przestrzenne kaŝdego punktu chmury skaningu mają dokładność w przybliŝeniu równą dokładności pomiaru odległości, tj. 3-5 mm. Na dokładność modelu pewien wpływ ma liczba stanowisk. Jednak biorąc pod uwagę duŝą dokładność pomiaru odległości (3 mm) i kątów (5 cc ) liczba stanowisk mogłaby by nawet większa. Większa liczba stanowisk nie obniŝa dokładności zintegrowanej chmury punktów. Linie nieciągłości pomierzono dalmierzem bezlustrowym, tym samym którym wykonano skaning. W technologii pomiaru stosowanej przez autorów bezpośredni pomiar linii nieciągłości jest waŝny i róŝni ten program badań od standardowych zastosowań skaningu, w których linie nieciągłości są generowane na podstawie bardzo gęstej chmury punktów. Identyfikacja linii krawędziowych w przyjętej siatce skanowania o interwale 1m byłaby oczywiście niemoŝliwa, wiele elementów zostałoby pominiętych, podczas gdy wykonany pomiar z załoŝenia spełnić powinien kryterium mapy topograficznej oraz modelu 3D. Fot.3. Chmura punktów - nieprzetworzony wynik skanowania Wielorako wykorzystywane są równieŝ zdjęcia. Na ich podstawie model 3D pokrywany jest naturalną fakturą. Dla potrzeb projektowych istotna jest identyfikacja pokrycia terenu w tym szczególnie obszarów zielonych. Doświadczenia pokazały, Ŝe zdjęcia są przydatne przy identyfikacji linii krawędziowych, pełnej bądź teŝ przy ich uszczegółowieniu. Zdjęcia są równieŝ pomocne przy filtracji danych. Zdjęcia obiektu wykonano aparatem cyfrowym skalibrowanym w programie PiCalibTopcon. Opracowanie wyników pomiaru wykonano w programie Land Desktop. Pierwszym etapem processingu jest filtracja chmury punktów mająca na celu usunięcie ze zbioru błędnych danych, a takŝe wyeliminowanie punktów zbędnych. Przyczyny powstania punktów błędnych są róŝne. Ich źródłem są przypadkowo odbite sygnały, głównie od drzew, krzewów, pojazdów a takŝe przypadkowych niezidentyfikowanych przeszkód. Filtracja polega na starannym przeglądzie wszystkich punktów, wizualnej ocenie kształtu obiektu. W analizie bardzo przydatne są zdjęcia cyfrowe. W badanym przypadku liczba punktów usuniętych nie była znaczna, łącznie kilkanaście. Mając na uwadze moŝliwość wystąpienia błędu grubego, przy opracowaniu modelu wykluczyć naleŝy aplikację procedur automatyzujących proces filtracji. Efektem processingu jest model terenu

5 243 w postaci struktury TIN, której wierzchołkami są pomierzone punkty jak na Rys.4. Tak skonstruowana siatka jest wykorzystywana do dalszych, takŝe standardowych opracowań projektowych, przede wszystkim przy analizach kubaturowych, generowaniu profili itp. Rys.4. Filtracja chmury punktów. Na rysunku zaznaczono punkty usunięte ze zbioru Rys.5. Model obiektu o strukturze TIN po filtracji danych Model TIN moŝna zastąpić modelem o strukturze GRID opartej na regularnej siatce kwadratów [Hutchinson F., i in. 2000], [Bojarowski K., in. 2008]. Zamiana wykonywana jest automatycznie. Jest to korzystne rozwiązanie przy niektórych typach zadań inŝynierskich, jakkolwiek naleŝy mieć na uwadze, Ŝe zamiana struktury TIN na strukturę GRID sprawia, Ŝe wygenerowana metodą interpolacji siatka nie zachowuje oryginalnych danych z pomiaru. Tym samym powstały model nie jest dokładniejszy od pierwotnej postaci niezaleŝnie od przyjętego wymiaru siatki. Wyniki skanowania opracowano równieŝ w programie PI3000 Topcon. Modele wygenerowane w obu programach okazały się praktycznie identyczne. To co róŝni oba programy to zakres ich wykorzystania. Program Pi 3000 daje moŝliwość nałoŝenia naturalnej faktury na model obiektu, co w badanym przypadku ma znaczenie. Program ten daje równieŝ moŝliwość wykonania analiz takich jak obliczenia kubaturowe, generowanie mapy warstwicowej itp. Zaletą programu Land Desktop (AutoDesk) jest wygenerowanie modelu w środowisku powszechnie stosowanym w projektowaniu inŝynierskim.

6 Wizualizacja wyników Rys.6. Struktura GRID wygenerowana z siatki TIN jak na Rys.4 W przypadku analizy kształtu powierzchni w niektórych analizach wygodną postacią jest model warstwicowy wygenerowany z modelu TIN programem Land Desktop. Ilustracja standardowego modelu warstwicowego (rys.7) pokazuje zalety modelu 3D. Rys.7. Model warstwicowy obiektu wygenerowany z siatki TIN Na rys. 8 pokazano efekt uzyskany po nałoŝeniu faktury na model 3D wygenerowany z danych pozyskanych metodą skaningu laserowego. Rys.8. Model obiektu z fakturą opracowany w programie PI3000 Topcon

7 Uwagi końcowe i wnioski Przeprowadzone przez autorów badania skaningu laserowego pokazują, Ŝe zaproponowana technologia jest efektywna w sensie dokładności odtworzenia kształtu powierzchni terenów zdegradowanych górnictwem odkrywkowym oraz ekonomiki pomiaru. Integralnymi elementami przedstawionej technologii skaningu laserowego jest skaning za pomocą programowanych tachimetrów, bezpośredni pomiar linii nieciągłości oraz zdjęcia cyfrowe. Metoda jest kompletna w sensie pozyskania danych do budowy modelu 3D. MoŜliwość sterowania zautomatyzowanym procesem pomiarowym poprzez programowanie procesu pozyskiwania danych pozwala zinwentaryzować dowolnie skomplikowaną powierzchnię z dowolną dokładnością przy kaŝdych uwarunkowaniach terenowych. Wysoka dokładność aparatury geodezyjnej sprawia, Ŝe zintegrowana chmura punktów jest jednorodna pod względem dokładności takŝe w przypadku, gdy duŝy obszar i skomplikowane formy terenowe wymagają zwiększenia liczby stanowisk. Niezawodność procesu pomiarowego podnosi wykorzystanie zdjęć cyfrowych, dokładności Dla potrzeb projektowych korzystne jest opracowanie wyników w programach, które pozwalają wizualizować naturalną powierzchnię. Dla praktyki inŝynierskiej zaprezentowana technologia realizowana za pomocą tachimetrów skanujących jest znacznie dostępniejsza niŝ typowa metoda skanowania wykonywana przy pomocy skanerów w dwóch głównych wyróŝnikach tj. pod względem kosztu sprzętu oraz oprogramowania. W przekonaniu autorów jest metodą, którą moŝe stać się standardową technologią pozyskiwania danych nietypowych obiektów szczególnie w aspekcie budowy modeli 3D, metodą dostępną dla małych i średnich pracowni projektowych. LITERATURA BOJAROWSKI K., GOŚCIEWSKI D. GENEROWANIE numerycznego modelu terenu na podstawie wyników pomiaru skanerem laserowym. Czsopismo Techniczne. Środowisko z.2-ś/2008. Zeszyt 19 (105). Politechnika Krakowska, str HUTCHINSON F., GALLANT J. C. Digital Elevation Models and representation of terrain shape. Terrain Analysis. Principles and Applications, John Wiley and Sons, New ork TOŚ C., WOLSKI B., ZIELINA L. Inventory surveys of historical structures by scanning tacheometry. Procc. of the 8 th Bilateral Geodetic Meeting Poland-Italy. Reports on Geodesy No.2 (77) Warsaw 2006, pp TOŚ C., WOLSKI B., ZIELINA L. Monitoring obiektu geotechnicznego na przykładzie Kopca im. J. Piłsudskiego. GeoinŜynieria, drogi, mosty i tunele. Nr 03/2008 (18), str WUNDERLICH T Terrestial laser scanners Perfomance and Application. Proc. INGEO Bratislava. pp Podziękowanie Pracę wykonano w ramach projektu badawczego własnego Technologia budowy szczegółowych modeli 3D inŝynierskich obiektów kubaturowych N N , nr umowy 1628/B/T02/2007/33 finansowanego przez Ministra Nauki i Szkolnictwa WyŜszego.