Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych

BIULETYN WAT VOL. LIX, NR 2, 2010 Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych MICHAŁ KĘDZIERSKI, ANNA FRYŚKOWSKA, MICHALINA WILIŃSKA Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Zakład Teledetekcji i Fotogrametrii, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. Technika naziemnego skaningu laserowego stała się ostatnio bardzo popularną i dynamicznie rozwijającą się formą pomiarów geodezyjnych, w szczególności wykorzystywaną w dokumentacji obiektów architektonicznych oraz inżynieryjnych. Opracowane obiekty inżynieryjno-drogowe to most Świętokrzyski oraz wiadukt Tryon. Są to konstrukcje o dużym rozmiarze i rozpiętości, co implikuje zróżnicowane podejście do metody wykonywania pomiarów poszczególnych obiektów, przy uwzględnieniu wyboru lokalizacji i ilości stanowisk skanera oraz umiejscowienia tarcz celowniczych, a także wyboru metody rejestracji pozyskanych środowisk skanowania, właściwej dla danego typu obiektu oraz adekwatnej do otrzymanych wyników pomiarów. Słowa kluczowe: naziemny skaning laserowy, inżynieria drogowa, rejestracja, fotogrametria bliskiego zasięgu Symbole UKD: 528 1. Wstęp Skaning laserowy jest aktywnym systemem pozyskiwania danych, który pozwala na precyzyjne określenie kształtu i wzajemnych relacji geometrycznych między obiektami znajdującymi się w zasięgu skanera. Podstawową zasadą, na której opiera się jego działanie, jest pomiar odległości oraz kątów, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych punktów w przestrzeni. Przedmiotem badań były dwa obiekty: most Świętokrzyski oraz wiadukt Tryon. Opracowanie polegało na wyborze najkorzystniejszej metody wykonywania pomiarów poszczególnych konstrukcji, przy uwzględnieniu wyboru lokalizacji, liczby

286 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska stanowisk skanera, umiejscowienia tarcz celowniczych oraz na wyborze metody rejestracji pozyskanych środowisk skanowania, właściwej dla danego typu obiektu oraz adekwatnej do otrzymanych wyników pomiarów. Pomiary wykonano skanerem laserowym Leica ScanStation2. 2.1. Most Świętokrzyski 2. Pomiar i opracowanie danych Pomiar mostu Świętokrzyskiego (rys. 1) odbył się w dniach 7-8 maja 2008 roku. Jest to pierwszy most wantowy w Warszawie, na Wiśle, otwarty 6 października 2000 roku, łączy Powiśle z Pragą Północ w okolicach Portu Praskiego. Rys. 1. Most Świętokrzyski Most razem z wiaduktem ma długość 479 metrów. Konstrukcja jest wsparta na 90-metrowym pylonie (87,5 m nad lustrem wody) w kształcie litery A, na którym zaczepiono 48 lin podtrzymujących jego płytę. Symetrycznie ustawione stalowe liny mają długość do 170 metrów i grubość do 30 centymetrów. Poza pylonem oba końce mostu wspierają się na ośmiu filarach, z których dwa są zanurzone na stałe w nurcie rzeki, a pozostałe stoją na terenach zalewowych po stronie praskiej albo na brzegach rzeki. Podpory wspierają się na fundamentach, a te na zbrojonych betonowych palach o średnicy półtora metra każdy. Pomiar wykonano z pięciu stanowisk (rys. 2) dwóch na nabrzeżu po lewej stronie Wisły, z których widoczne były podpory mostu, oraz trzech po prawej stronie, skąd pomierzono pylon oraz większość lin. Stanowiska skanera zlokalizowane zostały tak, aby zapewnić dobrą widoczność tarcz celowniczych oraz by skany

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 287 zawierały obszar wspólnego pokrycia (niezbędny do połączenia poszczególnych środowisk skanowania). Rys. 2. Lokalizacja stanowisk skanera przy pomiarze mostu Świętokrzyskiego Lokalizacja stanowiska pierwszego 1 i drugiego 2, tak jak na schemacie powyżej, zapewniła widoczność pięciu, a stanowisk 3 i 4 czterech tarcz celowniczych oraz możliwość zeskanowania obu stron mostu z wystarczająco dużym obszarem wspólnego pokrycia. Dodatkowo wykonano skaning ze stanowiska 5, które było oddalone na tyle, że nie było możliwości pomiaru żadnej tarczy HDS. Kolejny etap to wykonanie zdjęć obiektu. Zdjęcia zrobiono z wysoką rozdzielczością. Nie wykonano pełnej 360 panoramicznej mozaiki zdjęć cyfrowych, a jedynie obszar obejmujący skanowany obiekt. Przykładowe fragmenty mozaiki zdjęć cyfrowych mostu Świętokrzyskiego przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Fragment mozaiki zdjęć cyfrowych mostu Świętokrzyskiego, wykonanej ze stanowiska 1

288 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska Zdjęcia pozyskane przed skanowaniem będą przydatne w momencie wskazywania dokładnej lokalizacji tarcz celowniczych czy szczegółów terenowych, których pomiar będzie wykonany z większą rozdzielczością. Następnie wykonano proces właściwego skanowania laserowego. Z uwagi na nietypowy kształt obiektu, który nie jest regularny, pomiary podzielono na kilka etapów. W wyniku skaningu otrzymano pięć środowisk skanowania (ang. ScanWorlds). Każde środowisko skanowania składa się z różnej liczby chmur punktów, która zależna jest od rozmiaru mierzonego obszaru oraz liczby pozyskanych punktów. Przykładowy wynik procesu skanowania przedstawiony został na rysunku 4. Rys. 4. Chmury punktów przedstawiające Most Świętokrzyski pozyskane ze stanowiska 1 Kolejny etap to skanowanie tarcz celowniczych. Proces opiera się na zgrubnym wskazaniu ich lokalizacji w panelu kontrolnym, przypisaniu im odpowiednich identyfikatorów oraz pomierzonych wcześniej wysokości. Skaner w pierwszej kolejności wykonuje zgrubny pomiar wskazanego obszaru, a następnie lokalizuje środek tarczy i dokonuje pomiaru z rozdzielczością 2 mm. Ze stanowisk 1 i 2 zeskanowano tarcze celownicze o numerach 1, 2, 32, 4 i 5. Wyniki pomiaru przedstawiono na rysunku 5. Natomiast ze stanowisk 3 i 4 zeskanowano tarcze celownicze o numerach 1, 2, 3 i 4. Efekt skaningu zamieszczono na rysunku 6. Po wykonaniu skanowania tarcz celowniczych, sprawdzono, czy pomierzone zostały wszystkie niezbędne elementy, przeprowadzono także dodatkowy skaning (z większą rozdzielczością) charakterystycznych elementów obiektu. Kolejnym etapem jest opracowanie danych z pomiarów, polegające na usunięciu punktów zbędnych, niebędących częścią obiektu, a stanowiących otoczenie takich jak np. przechodnie, samochody czy przyległa roślinność. Następnie przystępuje się do rejestracji, polegającej na połączeniu poszczególnych środowisk skanowania w jeden wspólny układ współrzędnych. Proces ten można wykonać na kilka sposobów, przy czym każdy z nich daje wyniki o różnej dokładności. W celu ich porównania oraz wyboru metody właściwej dla danego typu pomiarów, przebadane zostaną następujące metody rejestracji:

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 289 Rys. 5. Pomiar tarcz celowniczych ze stanowisk 1 i 2 Rys. 6. Pomiar tarcz celowniczych ze stanowisk 3 i 4 rejestracja oparta wyłącznie na tarczach celowniczych HDS, rejestracja oparta wyłącznie na manualnie wybieranych punktach homologicznych (ang. Cloud to Cloud Registration), rejestracja kombinowana oparta na tarczach celowniczych oraz dodatkowych, manualnie wybieranych punktach homologicznych. Ze względu na specyfikę pomiarów, środowiska skanowania przedstawiające całość mostu Świętokrzyskiego zarejestrowano w dwojaki sposób.

290 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska 2.1.1. Rejestracja chmur punktów przedstawiających most Świętokrzyski wariant 1 Pierwszym sposobem jest połączenie poszczególnych środowisk skanowania w jeden układ współrzędnych wyłącznie na podstawie manualnie wybieranych punktów homologicznych. Schemat przebiegu rejestracji według wariantu pierwszego przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Schemat przebiegu rejestracji środowisk skanowania przedstawiających most Świętokrzyski według wariantu 1 Powiązane ze sobą parami środowiska skanowania to: ScanWorld1 (1) i Scan- World2 (2) oraz ScanWorld3 (3) i ScanWorld4 (4). Uwarunkowane to zostało największym obszarem wspólnego pokrycia. Następnie dopasowano do siebie ScanWorld1 i ScanWorld4, tak aby połączyć strony mostu leżące po lewej i prawej stronie rzeki oraz ScanWorld4 i ScanWorld5 (5). Jako bazowe środowisko skanowania wybrane zostało ScanWorld4, ponieważ obrazuje ono największą część obiektu. Wykonanie opierało się na założeniu pliku realizującego proces rejestracji, wyborze odpowiednich środowisk skanowania oraz wskazaniu punktów homologicznych. Punkty wiążące powinny być rozmieszczone równomiernie, na możliwie jak największym obszarze wspólnego pokrycia skanów. Dla przykładu, dopasowanie ScanWorld1 oraz ScanWorld2 nastąpiło w oparciu o pięć punktów wiążących zlokalizowanych jak na rysunku 8. Wykaz liczby punktów wiążących dla połączeń poszczególnych środowisk skanowania zamieszczono w tabeli 1. Błędy z wyrównania zamieszczono w tabeli 2. Poszczególne wartości błędów średnich dla każdego wiersza wyrównania zawierają się w przedziale od 0,015 do 0,029 metrów. średni wyrównania wszystkich środowisk skanowania wyniósł 0,025 metra.

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 291 Rys. 8. Lokalizacja punktów wiążących (białe kropki) przy rejestracji ScanWorld1 i ScanWorld2 Tabela 1 Liczba punktów wiążących dla połączeń poszczególnych środowisk skanowania Łączone środowiska skanowania Liczba punktów wiążących ScanWorld1 ScanWorld2 5 ScanWorld3 ScanWorld4 5 ScanWorld4 ScanWorld1 4 ScanWorld4 ScanWorld5 5 Tabela 2 Wyniki wyrównania środowisk skanowania ScanWorld1, ScanWorld2, ScanWorld3, ScanWorld4 i ScanWorld5 Łączone środowiska skanowania średni Średni błąd prawdziwy minimalny maksymalny Liczba wykorzystanych punktów ScanWorld1 ScanWorld2 0,015 0,008 0,000 0,095 179 233 ScanWorld3 ScanWorld4 0,016 0,009 0,000 0,099 540 300 ScanWorld4 ScanWorld1 0,025 0,016 0,000 0,096 76 433 ScanWorld4 ScanWorld5 0,029 0,022 0,000 0,093 73 000 Następnie utworzone zostało nowe środowisko skanowania ScanWorld SW1_ SW2_SW3_SW4_SW5, w którym zapisane zostały zarejestrowane, połączone w jeden układ współrzędnych chmury punktów. Finalny efekt dopasowania wszystkich środowisk skanowania, biorących udział w wyrównaniu, przedstawiono na rysunku 9.

292 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska Zawiera ono wszystkie zeskanowane punkty, nawet te, które usunięto przed procesem rejestracji. Na powyższym obrazie, układ współrzędnych znajduje się w miejscu stanowiska skanowania 4, które wybrane zostało jako bazowe i do którego dopasowano pozostałe chmury punktów. Rys. 9. Wynikowe środowisko skanowania ScanWorld SW1_SW2_SW3_SW4_SW5 2.1.2. Rejestracja chmur punktów przedstawiających most Świętokrzyski wariant 2 Ze względu na to, że podczas skanowania dokonano szczegółowego pomiaru celów HDS, możemy wykorzystać kolejną metodę połączenia pozyskanych środowisk skanowania. Proces rejestracji, oparty na metodzie wykorzystującej tarcze celownicze, polega na automatycznym dopasowaniu przez oprogramowanie odpowiadających sobie celów HDS z różnych środowisk skanowania. Schemat jej przebiegu przedstawiono na rysunku 10. Środowiska skanowania ScanWorld1 (1) i ScanWorld2 (2) oraz odpowiednio ScanWorld3 (3) i ScanWorld4 (4) zostały zarejestrowane metodą z wykorzystaniem tarcz celowniczych, a następnie połączone ze sobą oraz środowiskiem skanowania ScanWorld5 (5) metodą z użyciem manualnie wskazywanych punktów wiążących. Wynik rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1 i ScanWorld2 przedstawiono w tabeli 3. Największy błąd, równy 0,027 metra, wystąpił przy wyrównaniu pomiarów celu o numerze 2. Spowodowane było to zbyt dużym kątem nachylenia tarczy względem skanera. Dlatego też tarcza 2 została wyeliminowana z dalszych obliczeń, a wyrównanie przeprowadzono raz jeszcze. Końcowe wartości błędów rejestracji zamieszczono w tabeli 4.

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 293 Rys. 10. Schemat przebiegu rejestracji środowisk skanowania przedstawiających most Świętokrzyski według wariantu 2 metodą kombinowaną Tabela 3 Wynik rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1 i ScanWorld2, przeprowadzonej metodą z wykorzystaniem celów HDS Nr tarczy HDS Łączone środowiska skanowania średni 2 ScanWorld1 ScanWorld2 0,027 4 ScanWorld1 ScanWorld2 0,006 5 ScanWorld1 ScanWorld2 0,004 32 ScanWorld1 ScanWorld2 0,007 1 ScanWorld1 ScanWorld2 0,014 Tabela 4 Wynik rejestracji środowisk skanowania ScanWorld1 i ScanWorld2, przeprowadzonej metodą z wykorzystaniem celów HDS, po wykluczeniu z wyrównania tarczy 2 Nr tarczy HDS Łączone środowiska skanowania średni 4 ScanWorld1 ScanWorld2 0,003 5 ScanWorld1 ScanWorld2 0,003 32 ScanWorld1 ScanWorld2 0,003 1 ScanWorld1 ScanWorld2 0,003

294 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska Wynikiem właściwej rejestracji jest środowisko skanowania ScanWorld SW1_ SW2. Analogicznie zarejestrowano chmury punktów otrzymane ze stanowisk 3 i 4. Wyniki wyrównania zostały przedstawione w tabeli 5. Tabela 5 Wynik rejestracji środowisk skanowania ScanWorld3 i ScanWorld4 Nr tarczy HDS Łączone środowiska skanowania średni 2 ScanWorld3 ScanWorld4 0,002 3 ScanWorld3 ScanWorld4 0,001 4 ScanWorld3 ScanWorld4 0,001 1 ScanWorld3 ScanWorld4 0,002 średni wyrównania środowisk skanowania ScanWorld1 i ScanWorld2 wyniósł 0,006 metra, a dla ScanWorld3 i ScanWorld4 0,003 metra. Porównanie wartości błędów przy rejestracji powyższych chmur punktów według wariantu pierwszego oraz drugiego przedstawiono w tabeli 6. Przeprowadzenie rejestracji metodą z wykorzystaniem celów HDS skutkuje mniejszym błędem średnim, a to z kolei prowadzi do dokładniejszego dopasowania do siebie poszczególnych środowisk skanowania. Tabela 6 Porównanie wartości błędów przy wyrównaniu ScanWorld1, ScanWorld2 oraz ScanWorld3 i ScanWorld4 dla wariantu pierwszego i drugiego Rejestrowane środowiska skanowania średni Wariant 1 Wariant 2 ScanWorld1_ScanWorld2 0,015 0,006 ScanWorld3_ScanWorld4 0,016 0,003 Kolejnym etapem było połączenie środowisk skanowania ScanWorld SW1_SW2 oraz ScanWorld SW3_SW4 metodą z wykorzystaniem punktów homologicznych. Środowisko skanowania ScanWorld SW3_SW4 wybrane zostało jako bazowe, ponieważ w tej części znajdował się pylon mostu. Dopasowanie ScanWorld SW1_SW2 oraz ScanWorld SW3_SW4 nastąpiło w oparciu o pięć punktów wiążących. W wyniku wyrównania otrzymano błędy, których wartości zamieszczono w tabeli 7.

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 295 Tabela 7 Wyniki wyrównania środowisk skanowania ScanWorld SW1_SW2 oraz ScanWorld SW3_SW4 Łączone środowiska skanowania ScanWorld SW1_SW2 ScanWorld SW3_SW4 średni Średni błąd prawdziwy minimalny maksymalny Liczba wykorzystanych punktów 0,028 0,019 0,000 0,098 57 066 Następnie utworzone zostało nowe środowisko skanowania ScanWorld SW1_ SW2_SW3_SW4, w którym zapisano zarejestrowane, połączone w jeden układ współrzędnych chmury punktów. Ostatnie środowisko skanowania ScanWorld5, pozyskane ze stanowiska 5 zostało dołączone do całości jako ostatnie, ponieważ skaner podczas pomiaru był zlokalizowany w odległości znacznie większej od obiektu niż w pozostałych przypadkach. Skutkiem tego była siatka punktów o większym oczku, co poskutkowało większymi błędami pomiaru szczegółów terenowych. Na tym etapie bazowym środowiskiem skanowania było ScanWorld SW1_ SW2_SW3_SW4, ponieważ zawiera ono całą, dokładniej zeskanowaną część obiektu. Rejestracja opierała się na wyborze odpowiednich środowisk skanowania ScanWorld5 i ScanWorld SW1_SW2_SW3_SW4 oraz na wskazaniu punktów homologicznych. Wynik wyrównania przedstawia tabela 8. Tabela 8 Wartości błędów otrzymane podczas wyrównania środowisk skanowania ScanWorld5 ScanWorld SW1_SW2_SW3_SW4 Łączone środowiska skanowania średni Średni błąd prawdziwy minimalny maksymalny Liczba wykorzystanych punktów ScanWorld SW1_ SW2_ SW3_SW4 Scan- World5 0,028 0,022 0,000 0,097 73 333 Końcowy efekt rejestracji kombinowanej, wykorzystującej cele HDS oraz manualnie wskazane punkty wiążące, przedstawiony został na rysunku 11. Wyniki zastosowanych wariantów możemy ocenić poprzez porównanie błędów średnich wyrównania. Kolejne etapy rejestracji nie mogą zostać zestawione wprost, ze względu na to, że opcja pierwsza wykorzystuje źródłowe środowiska skanowania, a druga chmury punktów powstałe w poprzednim etapie. Dlatego też następnym elementem porównania będą finalne błędy średnie wyrównania wszystkich środo-

296 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska Rys. 11. Środowisko skanowania SW1_SW2_SW3_SW4_SW5 wisk skanowania dla każdego z wariantów. Przedstawiono je w tabeli 9. Całkowity błąd średni dla metody wykorzystującej wyłącznie manualnie wskazywane punkty homologiczne jest większy niż w metodzie częściowo korzystającej z automatycznej detekcji celów HDS. Tabela 9 Porównanie błędów średnich rejestracji finalnych środowisk skanowania dla poszczególnych wariantów średni Wariant 1 Wariant 2 ScanWorld SW1_SW2_SW3_SW4_SW5 0,025 0,023 Specyfika konstrukcji mostowych polega na tym, że są to obiekty o wydłużonym kształcie, na których najczęściej występuje wzmożony ruch drogowy. Stanowiska skanera najlepiej jest lokalizować w miejscach nienarażonych na wstrząsy czy drgania, wynikające z takiego właśnie ruchu, dlatego też powinno się unikać wyboru stanowisk na płycie mostu. Odpowiednie do rozstawienia urządzenia pomiarowego jest nabrzeże rzeki, choć i tutaj ze względu na otaczającą roślinność możemy napotkać utrudnienia. Ponadto w przypadku długich mostów zasięg skanera może nie być wystarczający do pomiaru całego obiektu wyłącznie z nabrzeża, dlatego też należałoby się zastanowić nad wyborem innej metody pomiaru, jak na przykład technologia Mobile Mapping. 2.2. Wiadukt Tryon, Stany Zjednoczone Wiadukt nad torami kolejowymi znajduje się przy trasie Tryon Road w Stanach Zjednoczonych (rys. 12).

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 297 Rys. 12. Wiadukt Tryon, Stany Zjednoczone 1 Konstrukcja wiaduktu opiera się na sześciu żelbetonowych filarach, po trzy po każdej stronie torów. Nawierzchnia jezdni na wiadukcie jest asfaltowa, barierki wykonano z materiału żelbetonowego. Pod wiaduktem skarpy nie są trwale umocnione i pokrywa je naturalna roślinność. Pomiar wiaduktu wykonano z ośmiu stanowisk (rys. 13): czterech zlokalizowanych pod wiaduktem 2, 3, 5 i 6, w pobliżu torów kolejowych, w różnej odległości od obiektu. Zapewniły one dobrą widoczność obu stron filarów wiaduktu; czterech umiejscowionych na nawierzchni asfaltowej wiaduktu 1, 7, 8 i 9. Lokalizacja pozwoliła na dokładny pomiar jezdni oraz barierek. Rys. 13. Lokalizacja stanowisk skanera oraz tarcz celowniczych przy pomiarze wiaduktu Tryon 1 Materiały udostępnione przez firmę Leica Geosystems.

298 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska Kolejnym etapem było szczegółowe pomierzenie tarcz celowniczych. Zostały one rozmieszczone w terenie tak, jak pokazano na rysunku 14. Rys. 14. Rozmieszczenie celów HDS na obiekcie Tryon Ze względu na sposób wykonania pomiarów, nie było możliwe zastosowanie rejestracji wszystkich środowisk skanowania wyłącznie w oparciu o cele HDS. Środowiska skanowania ScanWorld3 oraz ScanWorld6 nie zawierają wystarczającej liczby szczegółowych pomiarów tarcz celowniczych (ScanWorld3 dwie tarcze: T1, T3; ScanWorld6 jedna tarcza: T4). Nie ma również możliwości zastosowania rejestracji opartej wyłącznie na manualnie wybieranych punktach homologicznych, z powodu zbyt małego obszaru wspólnego pokrycia skanów wykonanych z poziomu torów kolejowych oraz z poziomu płyty wiaduktu. Dlatego też zdecydowano się przeprowadzić rejestrację kombinowaną dwoma sposobami. 2.2.1. Rejestracja chmur punktów przedstawiających wiadukt Tryon wariant 1 Rejestracja środowisk skanowania ScanWorld1, ScanWorld2, ScanWorld5, Scan- World7, ScanWorld8 oraz ScanWorld9 została przeprowadzona metodą opartą wyłącznie na celach HDS, a następnie dołączono do nich środowiska o identyfikatorach ScanWorld3 i ScanWorld6, metodą z wykorzystaniem manualnie wybieranych punktów homologicznych. Schemat przebiegu rejestracji zamieszczono na rysunku 15. Wykonanie opierało się na wyborze odpowiednich środowisk skanowania (ScanWorld1, ScanWorld2, ScanWorld5, ScanWorld7, ScanWorld8, ScanWorld9), automatycznym dopasowaniu odpowiadających sobie celów HDS przez oprogramowanie oraz na przeprowadzeniu wyrównania. Wyniki wyrównania z zastosowaniem celów HDS zamieszczono w tabeli 10.

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 299 Rys. 15. Schemat przebiegu rejestracji środowisk skanowania przedstawiających wiadukt Tryon metodą kombinowaną według wariantu 1 Tabela 10 Wynik wyrównania środowisk skanowania ScanWorld1, ScanWorld2, ScanWorld5, ScanWorld7, ScanWorld8 i ScanWorld9 przeprowadzonego poprzez automatyczną detekcję celów HDS Identyfikator tarczy HDS Łączone środowiska skanowania średni T1 ScanWorld1 ScanWorld2 0,001 T3 ScanWorld1 ScanWorld2 0,003 T5U ScanWorld1 ScanWorld2 0,002 T5L ScanWorld1 ScanWorld2 0,002 T1 ScanWorld1 ScanWorld5 0,004 T3 ScanWorld1 ScanWorld5 0,008 T4 ScanWorld1 ScanWorld5 0,007 T1 ScanWorld1 ScanWorld7 0,011 T3 ScanWorld1 ScanWorld7 0,008

300 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska cd. tabeli 10 T4 ScanWorld1 ScanWorld7 0,008 T3 ScanWorld1 ScanWorld8 0,006 T4 ScanWorld1 ScanWorld8 0,006 T3 ScanWorld1 ScanWorld9 0,005 T3 ScanWorld2 ScanWorld5 0,006 T1 ScanWorld2 ScanWorld5 0,005 T3 ScanWorld2 ScanWorld7 0,007 T3 ScanWorld2 ScanWorld8 0,003 T3 ScanWorld2 ScanWorld9 0,002 T3 ScanWorld5 ScanWorld7 0,013 T4 ScanWorld5 ScanWorld8 0,008 T3 ScanWorld5 ScanWorld8 0,008 T3 ScanWorld5 ScanWorld9 0,008 T1 ScanWorld5 ScanWorld7 0,014 T4 ScanWorld5 ScanWorld7 0,007 T4 ScanWorld7 ScanWorld8 0,003 T3 ScanWorld7 ScanWorld8 0,005 T6U ScanWorld7 ScanWorld8 0,003 T6L ScanWorld7 ScanWorld8 0,004 T3 ScanWorld7 ScanWorld9 0,005 T6U ScanWorld7 ScanWorld9 0,003 T6L ScanWorld7 ScanWorld9 0,004 T3 ScanWorld8 ScanWorld9 0,001 T6L ScanWorld8 ScanWorld9 0,002 Największy błąd średni, równy 0,014 metra, wystąpił przy wyrównaniu pomiarów celu o identyfikatorze T1, przy łączeniu środowisk ScanWorld5 i ScanWorld7. Spowodowane było to większą odległością celów HDS od skanera niż przy pozostałych tarczach. Całkowity błąd średni wyrównania wszystkich środowisk skanowania, biorących w nim udział, wyniósł 0,006 metra.

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 301 Kolejnym etapem było przeprowadzenie rejestracji, w wyniku której powstało środowisko skanowania ScanWorld SW1_SW2_SW5_SW7_SW8_SW9. Następnie do nowo utworzonego środowiska skanowania dołączone zostały ScanWorld3 i ScanWorld6, metodą manualnego wskazania punktów wiążących. Do połączenia środowisk skanowania ScanWorld SW1_SW2_SW5_SW7_SW8_SW9 i ScanWorld3 wykorzystano siedem, a w przypadku rejestracji środowiska Scan- World6 pięć punktów homologicznych. Wskazanie punktów było utrudnione, ponieważ chmury punktów przedstawiały przeciwne strony obiektu. Tabela 11 Wartości błędów otrzymane podczas wyrównania środowisk skanowania ScanWorld SW1_SW2_ SW5_SW7_SW8_SW9 oraz ScanWorld3 i ScanWorld6 Łączone środowiska skanowania średni Średni błąd prawdziwy minimalny maksymalny Liczba wykorzystanych punktów ScanWorld SW1_SW2_ SW5_SW7_ SW8_SW9 ScanWorld SW1_SW2_ SW5_SW7_ SW8_SW9 ScanWorld3 0,009 0,004 0,000 0,088 211 533 ScanWorld6 0,014 0,008 0,000 0,097 349433 Błędy wyrównania zamieszczone są w tabeli 11. średni rejestracji kombinowanej przeprowadzonej według wariantu pierwszego wyniósł 0,010 metra. Po wykonaniu rejestracji utworzone zostało środowisko skanowania ScanWorld SW1_SW2_SW5_SW7_SW8_SW9_SW3_SW6, które było wynikiem połączenia chmur punktów pozyskanych ze wszystkich stanowisk. 2.2.2. Rejestracja chmur punktów przedstawiających wiadukt Tryon wariant 2 Rejestrację przeprowadzono w dwóch etapach. Jej schemat przedstawiono na rysunku 16. Pierwszy etap został przeprowadzony metodą manualnego wskazania punktów wiążących. Jego wynikiem są dwa środowiska skanowania ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6 (poziom torów kolejowych pod wiaduktem) oraz ScanWorld SW1_SW7_SW8_SW9 (poziom jezdni na wiadukcie). Największy problem sprawiło wskazanie punktów wiążących przy łączeniu środowisk skanowania ScanWorld2 i ScanWorld6, ze względu na to, że chmury punktów

302 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska Rys. 16. Schemat przebiegu rejestracji środowisk skanowania przedstawiających wiadukt Tryon metodą kombinowaną według wariantu 2 przedstawiały przeciwne strony obiektu. Punkty homologiczne możliwe były do zlokalizowania na filarach tylko z jednej strony wiaduktu. Trudności wystąpiły również przy rejestracji ScanWorld7 i ScanWorld8. Powodem był mały obszar wspólnego pokrycia, a co za tym idzie nierównomierne rozłożenie punktów wiążących. Skutkiem tego była wysoka wartość błędu średniego po przeprowadzeniu wyrównania. Podobna sytuacja zachodziła przy łączeniu środowisk ScanWorld8 i ScanWorld9. Wyniki wyrównania zamieszczono w tabeli 12. średni rejestracji, w wyniku której utworzone zostało środowisko skanowania ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6, wyniósł 0,014 metra, a dla ScanWorld SW1_SW7_SW8_SW9 0,015 metra. Drugi etap polegał na połączeniu wyżej wymienionych chmur punktów w jeden układ współrzędnych poprzez wykorzystanie metody automatycznej detekcji celów HDS. Wyniki wyrównania przedstawiono w tabeli 13. średni całej rejestracji wyniósł 0,005 metra.

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 303 Tabela 12 Wartości błędów otrzymane podczas wyrównania środowisk skanowania ScanWorld2, ScanWorld3, ScanWorld5, ScanWorld6 oraz ScanWorld1, ScanWorld7, ScanWorld8, ScanWorld9 Łączone środowiska skanowania średni Średni błąd prawdziwy minimalny maksymalny Liczba wykorzystanych punktów ScanWorld2 ScanWorld3 0,007 0,004 0,000 0,087 199 600 ScanWorld5 ScanWorld6 0,015 0,008 0,000 0,096 259 866 ScanWorld2 ScanWorld6 0,017 0,008 0,000 0,095 130 600 ScanWorld7 ScanWorld8 0,009 0,005 0,000 0,091 142 800 ScanWorld8 ScanWorld9 0,010 0,007 0,000 0,091 477 666 ScanWorld1 ScanWorld9 0,021 0,014 0,000 0,091 66 866 Tabela 13 Wynik wyrównania środowisk skanowania ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6 oraz ScanWorld SW1_SW7_SW8_SW9 Identyfikator tarczy HDS Łączone środowiska skanowania średni T3 ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6 ScanWorld SW1_SW7_SW8_SW9 0,002 T3 ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6 ScanWorld SW1_SW7_SW8_SW9 0,003 T1 ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6 ScanWorld SW1_SW7_SW8_SW9 0,002 T5U ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6 ScanWorld SW1_SW7_SW8_SW9 0,002 W wyniku kolejnej rejestracji utworzone zostało środowisko skanowania Scan- World SW2_SW3_SW5_SW6_ SW1_SW7_SW8_SW9, złożone z chmur punktów pozyskanych ze wszystkich stanowisk (rys. 17). średni rejestracji kombinowanej przeprowadzonej według wariantu drugiego wyniósł 0,012 metra. Porównanie błędów średnich rejestracji środowisk skanowania przedstawiających wiadukt Tryon przedstawiono w tabeli 14. Całkowity błąd rejestracji według wariantu pierwszego wyniósł 0,010 metra, a według drugiego 0,012 metra. Oba wyniki są zadowalające i wystarczające do opracowań obiektu, jakim jest wiadukt. Jednak biorąc pod uwagę kolejność etapów poszczególnych rejestracji oraz ich dokładność, zalecaną metodą jest wariant pierwszy.

304 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska Rys. 17. Środowisko skanowania ScanWorld SW2_SW3_SW5_SW6_ SW1_SW7_SW8_SW9 przedstawiające całość wiaduktu Tryon Tabela 14 Porównanie błędów średnich rejestracji finalnych środowisk skanowania dla poszczególnych wariantów średni Wariant 1 Wariant 2 ScanWorld SW1_SW2_SW3_SW5_ SW6_SW7_SW8_SW9 0,010 0,012 3. Analiza wyników rejestracji środowisk skanowania pod kątem zależności wartości błędu średniego od liczby dopasowanych punktów Przeprowadzając wyrównanie, można zauważyć, że wartość błędu średniego zależy od liczby dopasowanych punktów. Do analizy przyjęto wyniki wyrównania oryginalnych środowisk skanowania. Przedstawiono je w tabeli 15. Tabela 15 Wartości błędów średnich oraz liczba dopasowanych punktów podczas rejestracji poszczególnych środowisk skanowania Most Świętokrzyski Łączone środowiska skanowania średni Liczba wykorzystanych punktów ScanWorld4 ScanWorld5 0,029 73 000

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 305 cd. tabeli 15 ScanWorld4 ScanWorld1 0,025 76 433 ScanWorld1 ScanWorld2 0,015 179 233 ScanWorld3 ScanWorld4 0,016 540 300 Wiadukt Tryon Łączone środowiska skanowania średni Liczba wykorzystanych punktów ScanWorld1 ScanWorld9 0,021 66 866 ScanWorld2 ScanWorld6 0,017 130 600 ScanWorld7 ScanWorld8 0,009 142 800 ScanWorld2 ScanWorld3 0,007 199 600 ScanWorld5 ScanWorld6 0,015 259 866 ScanWorld8 ScanWorld9 0,010 477 666 Wartości podane w tabeli 15 przedstawiają zależność zobrazowaną na rysunku 18. Na wykresie nie uwzględniono jedynie dwóch wierszy wyrównania środowisk skanowania pozyskanych przy pomiarze wiaduktu Tryon: ScanWorld2_ScanWorld3 oraz ScanWorld7_ScanWorld8. Obie pary zostały pominięte, gdyż dość niska Rys. 18. Wykres zależności wartości błędu średniego od liczby dopasowanych punktów

306 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska wartość błędu średniego mogła wynikać z faktu, iż stanowiska pomiarowe były zlokalizowane w niewielkiej odległości od siebie, a skany pokrywały się niemalże na całym obszarze. Na podstawie rysunku 18 można zauważyć, że od pewnej wartości liczby punktów nawet kilkakrotny wzrost ich liczby nie powoduje znaczącej zmiany wielkości błędu średniego. Można również oszacować, że liczba punktów wystarczająca do zapewnienia odpowiedniej dokładności rejestracji wybranych obiektów zawiera się w przedziale od 100 do 200 tysięcy, co stanowi 1-2% całkowitej liczby pozyskanych podczas skaningu punktów. 4. Podsumowanie Istotą prowadzonych badań było opracowanie zasad pozyskiwania i przetwarzania danych z naziemnego skaningu laserowego dla obiektów drogowo-inżynieryjnych oraz określenie możliwych do uzyskania dokładności. W związku z tym, przeprowadzono rejestrację pozyskanych chmur punktów według różnych wariantów. Na podstawie opracowania można dojść do następujących wniosków: Ze względu na specyfikę budowy mostów ich duży rozmiar oraz rozpiętość zaleca się pomiar stron obiektu leżących po przeciwnych stronach przeszkody wodnej, z zastosowaniem jak największej ilości tarcz HDS. Nie należy wykonywać pomiarów z poziomu nawierzchni obiektu, ze względu na ruch drogowy powodujący drgania, których efektem są błędy pomiarowe. Tarcze HDS należy rozmieścić tak, aby były widoczne z jak największej ilości stanowisk skanera. Przy opracowaniu mostów należy najpierw oddzielnie rejestrować strony obiektów leżące po przeciwnych stronach rzeki, stosując metodę wykorzystującą tarcze celownicze, a następnie wynikowe środowiska skanowania połączyć poprzez manualne wskazanie punktów homologicznych. Pomiar wiaduktu, ze względu na mniejszy zasięg oraz łatwiejszy dostęp, należy wykonywać z różnych poziomów obiektu. Najlepsze wyniki opracowania dały sposoby rejestracji wykorzystujące w pierwszej kolejności rejestrację na tarcze HDS, a w drugiej metodę dopasowania chmur punktów na szczegóły terenowe. Ponadto poprawniejszym rozwiązaniem będzie nawet częściowe zastosowanie sposobu wykorzystującego tarcze celownicze, niż przeprowadzenie rejestracji całości obiektu wyłącznie z wykorzystaniem wskazania punktów homologicznych. Im mniej przeprowadzanych procesów wyrównania, tym końcowe błędy dopasowania są mniejsze.

Naziemny skaning laserowy obiektów inżynieryjno-drogowych 307 Warto również zwrócić uwagę na fakt, że jednocześnie powinny być rejestrowane środowiska skanowania pozyskane z podobnej odległości od obiektu, charakteryzujące się zbliżoną rozdzielczością. Ponadto w pierwszej kolejności należy łączyć chmury punktów o największym obszarze wspólnego pokrycia i dopiero do nich dowiązywać pozostałe skany. Liczba punktów dopasowanych, wystarczająca do zapewnienia odpowiedniej dokładności wyrównania opracowanych przeze mnie obiektów, zawiera się w przedziale od 100 do 200 tysięcy, co stanowi 1-2% całkowitej ilości pozyskanych punktów. Nawet dwukrotny wzrost liczby dopasowanych punktów nie powoduje znaczącej zmiany wielkości błędu średniego. Przy opracowaniu wiaduktów, w przypadku braku zastosowania celów HDS, należy oddzielnie zarejestrować środowiska skanowania przedstawiające różne poziomy konstrukcji i dopiero obie wynikowe chmury punktów połączyć w całość. Przy rejestracji wykorzystującej manualne wskazanie szczegółów terenowych istotne jest ponowne ich zeskanowanie z wyższą rozdzielczością. Artykuł wpłynął do redakcji 1.07.2009 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w lipcu 2009 r. LITERATURA [1] D. G. Aguilera, P. R. Gonzálvez, J. G. Lahoz, Automatic co-registration of terrestial laser scanner and digital camera for the generation of hybrids models, IAPRS, vol. 36, part 3/W52, 2007. [2] M. Kędzierski, P. Walczykowski, A. Frykowska, Skanowanie zabytków, Skanery laserowe dodatek do magazynu geoinformacyjnego GEODETA, Warszawa, kwiecień 2008. [3] C. Nothegger, P. Dorninger, Automated modeling of surface detail from point clouds of historical objects, XXI International CIPA Symposium, Athens, 2006. [4] M. Kędzierski, P. Walczykowski, A. Fryśkowska, Application of terrestrial laser scanning in assessment of hydrotechnic objects condition, Proceedings ASPRS, 2009 Annual Conference, Baltimore, USA, 2009. M. KĘDZIERSKI, A. FRYŚKOWSKA, M. WILIŃSKA Terrestrial laser scanning of civil engineering structures Abstract. Recently, terrestrial laser scanning technology has become very popular technique of geodetic measurements. TLS has its application in road engineering geodesy. One of the advantages of 3D laser measurements are their high accuracy, resolution and number of points acquired in a very short period of time. One of the most important stages of the data post-processing is scan registration that means merging and fitting particular scans. This process can be done in a few ways, but also with different accuracy. There is a few methods of scan registration: using HDS targets, using some tie points from the clouds (so called cloud to cloud registration) and using both: targets and points (mixed method). Authors compared all this combinations on the example of two structures: Świętokrzyski bridge and Tryon viaduct. We have checked 3 ways of scan registration: by manual

308 M. Kędzierski, A. Fryśkowska, M. Wilińska finding of points (with the RMSE in the range from 0.015 to 0.029 m with the mean RMSE 0.025 m), using HDS targets (0.003-0.006 m). Bridges are long and tall structures. In most cases there is also quite bid traffic. That causes, that very often, using HDS targets is impossible. There are also problems with the scanner range especially in case of long bridges. Another analysis was testing registration accuracy taking into consideration also the number of fitted points. We assessed, that minimal number of points necessary to registration with sufficient accuracy was about 100 to 200 thousands, what is about 1-2% of all points. In the paper we present the most important aspects of registration of data acquired with the use of terrestrial laser scanner. Keywords: terrestrial laser scanning, civil engineering, registration, close range photogrammetry Universal Decimal Classification: 528