NAUKA SCIENCE Meltem Vatan, M. Oğuz Selbesoğlu, Bülent Bayram The use of 3D laser scanning technology in preservation of historical structures Wykorzystanie technologii skanowania 3D w konserwacji obiektów zabytkowych 1. Introduction Historical structures and monuments are symbols of the cultural identity and they constitute the most important part of the cultural heritage. Besides their artistic value those buildings are open to the public and to large assemble of people. Most historical buildings were made of masonry which is very complex. Depending on the construction period; geometrical typology, construction and organization of the structure, element size and type of construction material used are diverse. Safety and stability of historical structures are of key importance when involved in conservation and preservation studies. The stability and structural behavior depend on the geometry of the building as well as its damage state. Before making any intervention decision, it is very important to make safety evaluation of the building with a multidisciplinary team of specialists on this field. Geometrical survey of a structure is very important for both understanding the present state of the structure including its damages and material decays and modeling the structure for the structural analysis. Realistic modeling of historical masonry structures for those purposes is not easy. Deep knowledge of the geometry of the structure and its elements is required for implementing the appropriate model. Different recording techniques exist to acquire an accurate geometric data and description of the building. Traditionally total stations are used to record data of the structures. This is useful for measuring edges or single point of interest but it is Praca dopuszczona do druku po recenzjach 1. Wprowadzenie Obiekty historyczne i zabytki są symbolami tożsamości kulturowej i stanowią najważniejszą część dziedzictwa kulturowego. Posiadając wartość artystyczną są także dostępne dla publiczności i dużych zgromadzeń. Większość budynków historycznych to bardzo skomplikowane konstrukcje murowe. W zależności od okresu w którym powstały, mogą się różnić typologią geometryczną, budową i systemem konstrukcji, wielkością elementów i rodzajem stosowanego materiału budowlanego. Problematyka bezpieczeństwa i stabilności konstrukcji historycznych jest niezwykle ważna w badaniach z zakresu konserwacji i ochrony. Stabilność i praca konstrukcji zależą od geometrii budynku oraz stanu jego zachowania. Przed podjęciem jakiejkolwiek decyzji o interwencji, trzeba koniecznie dokonać oceny bezpieczeństwa budynku z udziałem zespołu różnych specjalistów z tej dziedziny. Badanie geometrii konstrukcji jest ważne zarówno dla zrozumienia obecnego stanu konstrukcji, włącznie z uszkodzeniami i zniszczeniem materiału oraz dla modelowania konstrukcji dla potrzeb analiz konstrukcyjnych. W tym ostatnim przypadku, dokładne modelowanie historycznych konstrukcji murowych nie jest zadaniem łatwym. Przed przyjęciem właściwego modelu analitycznego, konieczne jest dogłębne poznanie geometrii konstrukcji i jej poszczególnych elementów. Istnieją różne techniki inwentaryzacji pozwalające na zebranie dokładnych danych geometrycznych i opisanie budynku. Tradycyjnie używa się w tym celu tachimetrów. Są one przydatne do pomiarów krawędzi, Article accepted for publishing after reviews Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 659
not easy to acquire complex surfaces by this method. Other techniques are close range photogrammetry and laser scanning which are faster and precise methods and also there are extensive measuring and surveying techniques on this field [1, 2]. The aim of this study is to point out the importance of realistic geometric modeling of historic structures for evaluating the safety condition and to discuss data acquisition methods using in preservation of historical structures and stress particularly on the laser scanning technology. 2. Importance of Accurate Geometric Data for Evaluating the Safety Condition of Historical Structures Historical buildings made of masonry are very complex and to make the realistic model of the overall geometry of a historical building is a difficult task. The geometry of those buildings as well as structural elements, transition elements and load transfer schemes vary depending on the construction period and organization of the structure (fig. 1). Because of this variety each historical building should be evaluated in its own condition. The basic principle of the conservation is to understand the building as a whole. The structural typology is important to make a reliable approach and to choose the most appropriate intervention technique for the restoration and preservation of historical buildings. Different load bearing system, load transition system and behavior of the whole building is directly related to the structural typology. During the intervention decision all these parameters should be taken into account. In seismic areas, beside the geometry of the individual building, if there exist, relation with the other structures is very important in the behavior of the historical structures. Even if the buildings constructed in the same age and have the same typology, isolated building has a different failure mechanism than buildings in a row [3]. The first step of the study of the structural performance of masonry is providing the true data of its geometry. Other parameters are dimension of the elements, shape of the blocks, masonry texture, mortar quantity and quality, characteristics of the section and homogeneity of the material [3]. It is obvious that almost all these required data for the evaluation of the structural condition and damage state of the building are related with the geometrical data. Consequently preservation works include (fig. 2): istotnych punktów, ale trudno zbadać tą metodą złożone powierzchnie. Inne techniki to fotogrametria bliskiego zasięgu oraz skanery laserowe, które są szybsze i dokładne, a także pozwalają na rozległe pomiary i badania [1, 2]. Celem tego badania było wykazanie wagi realistycznego modelowania geometrycznego budynków historycznych dla oceny stanu bezpieczeństwa oraz omówienie metod pozyskiwania danych stosowanych w konserwacji historycznych konstrukcji, ze szczególną uwagą poświęconą technologii skanerów laserowych. 2. Znaczenie dokładności pomiarów geometrii dla oceny stanu bezpieczeństwa konstrukcji historycznych Murowane budynki historyczne są bardzo skomplikowanymi konstrukcjami i przygotowanie wiernego i całościowego modelu historycznej budowli to bardzo trudne zadanie. Geometria tych budynków oraz ich elementy konstrukcyjne, wypełniające i schematy przenoszenia obciążeń są bardzo różne w zależności od okresu powstania i typu konstrukcji (rys. 1). Z powodu tej różnorodności każdy budynek historyczny powinien być analizowany indywidualnie. Podstawową zasadą konserwacji jest zrozumienie budynku jako całości. Typologia konstrukcji jest istotna dla wyboru właściwego sposobu podejścia i wyboru optymalnej techniki interwencji w celu restauracji i konserwacji historycznych budynków. Różnorodne schematy obciążeń i systemy ich przenoszenia oraz zachowanie się całego budynku są bezpośrednio związane z typologią konstrukcji. Wszystkie te parametry należy uwzględnić przy podejmowaniu decyzji o interwencji. Dla ochrony budynków historycznych położonych w obszarach sejsmicznych ważna jest nie tylko geometria konkretnego budynku, ale także jeśli istnieje powiązanie z sąsiednimi konstrukcjami. Nawet jeśli budynki zbudowano w tym samym okresie i mają one te same cechy typologiczne, wolno stojący budynek podlega innym mechanizmom niż budynek usytuowany w pierzei [3]. Pierwszy krok w badaniu stanu konstrukcji murowej to zebranie wiarygodnych danych o jej geometrii. Inne parametry to wymiary elementów, kształt bloków, faktura muru, ilość i jakość zaprawy, cechy przekroju i jednorodności materiału [3]. Jest oczywiste, że niemal wszystkie dane potrzebne do oceny stanu technicznego konstrukcji są związane z danymi geometrycznymi. Dlatego prace konserwatorskie obejmują (rys. 2): 660 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
Fig. 1. Examples of diverse typology of historical masonry structures in Istanbul Rys. 1. Przykłady typów historycznych konstrukcji murowych w Istambule Fig. 2. (a, b) Plan drawing and façade drawing of the historic building; (c) Crack pattern of the dome of the historic building; (d) FEM model Rys. 2. (a, b) Rzut i elewacja budynku zabytkowego; (c) Rysy na kopule historycznej budowli; (d) Model MES Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 661
As built drawings of the existing building both in plan, sections and facades; The texture of the facades; Damage state of the building (e.g. crack pattern, deterioration); If the detailed inspection is necessary, structural analysis of the building (e.g. FEM). In the following, exciting different recording techniques for obtaining those required data will be described. 3. Architectural Modeling of the Realistic Geometry of the Exciting Building Numerical modeling of the real geometrical shape of the historic building as part of safety evaluation is the hardest step. Architects are traditionally used to draw all necessary drawings through photos and manual measurements. In the traditional method of numerical modeling of the existing building, all structural elements have to be drawn manually with several drawbacks. The process is time consuming and forced labor; first the architectural plan drawings should be made then if it is possible generating a 3D model through 2D drawings. Generally photos are used for generating the 3D model and inaccuracy of the photos could result with different facades and section drawings. It is difficult to verify whether the result model is accurate or not [4]. Recently photogrammetry became a widespread method in architecture, with developing computer industry both software and hardware. In comparison with traditional drawing and modeling techniques, photogrammetry is faster and more precise. Photogrammetry is based on processing of images by generating DTMs, DSMs, orthoimages, 2D and 3D reconstruction [5]. Total station, metric cameras and laser scanning are used as measurement techniques in photogrammetric method. Data collected from both of these techniques is useful in architecture. By this way, time and effort is reduced while making as built drawings in digital format. Recently terrestrial laser scanning technology became widespread in the field of documentation of the historical heritage. Mobile and flexible optical 3D measuring systems based on techniques as photogrammetry, fringe projection, laser scanning and combinations of those image based or range based systems can successfully applied to the measurement and virtual reconstruction of cultural heritage [6]. 3D laser scanner is one of Dokumentację stanu faktycznego istniejących budynków: rzuty, przekroje i elewacje; Teksturę fasad; Stan niszczenia budynku (np. zarysowania, uszkodzenia); Jeżeli konieczne jest badanie szczegółowe, analizę konstrukcyjną budynku (np. MES). W dalszej części artykułu zostaną opisane różnorodne dostępne techniki inwentaryzacji pozwalające na zebranie tych danych. 3. Modelowanie architektoniczne realistycznej geometrii istniejących budowli Modelowanie numeryczne wiernego rzeczywistości kształtu geometrycznego budowli historycznej jest najtrudniejszym krokiem w procesie oceny bezpieczeństwa. Architekci są zwykle przyzwyczajeni do rysowania całej dokumentacji na podstawie zdjęć i ręcznych pomiarów. W tradycyjnej metodzie numerycznego modelowania istniejących budowli wszystkie elementy konstrukcyjne trzeba modelować ręcznie i to kilku wersjach. Jest to czaso- i pracochłonny proces; najpierw trzeba przygotować rzut budynku, a następnie, jeśli to możliwe, z pomocą dodatkowych rysunków 2D (przekroje, elewacje), wygenerować model. Zasadniczo do tworzenia modeli 3D używa się zdjęć i ich niedokładność może prowadzić do błędów w dokumentacji elewacji i przekrojów. Trudno zweryfikować, czy stworzony w ten sposób model jest dokładny czy nie [4]. W miarę rozwoju sprzętu i oprogramowania komputerowego, w ostatnich latach popularną wśród architektów metodą stała się fotogrametria, która jest szybsza i dokładniejsza niż tradycyjne techniki inwentaryzacji i modelowania. Fotogrametria opiera się na przetwarzaniu obrazów w celu tworzenia numerycznych modeli terenu, ortofotomap, rekonstrukcji dwu- i trójwymiarowych [5]. Totalstation, kamery metryczne i skanery laserowe to techniki pomiaru stosowane zwykle w metodzie fotogrametrycznej. Dane zebrane za pomocą tych technik są przydatne w architekturze: w ten sposób oszczędza się czas i wysiłek poświęcony na dokumentację stanu faktycznego w formie cyfrowej. Ostatnio, w dziedzinie dokumentacji dziedzictwa historycznego popularną technologią stało się naziemne skanowanie laserowe. Mobilne i wygodne trójwymiarowe, optyczne systemy pomiarowe, oparte na takich technikach jak fotogrametria, triangulacja optyczna, skanery laserowe, a także połączenia technik pomiaru opartych na analizie obrazu i pomiarze odległości, mogą być doskonale stosowane do inwentaryzacji i wirtualnych rekonstrukcji 662 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
Fig. 3. The data set obtained from laser scanner of the Kovukkemer aqueduct (a) Photo of the aqueduct, (b) 3D point clouds, (c) The west façade of the aqueduct [7] Rys. 3. Zestaw danych uzyskanych w procesie laserowego skanowania akweduktu Kovukkemer (a) Zdjęcie akweduktu, (b) chmura punktów 3D, (c) zachodnia elewacja akweduktu [7] the tools for survey documentation of the overall building in the accurate way. The importance of 3D laser scanning is providing a full surface description instead of measuring some specific points. After an extensive processing phase, the collected data can be used to derive 2D drawings, 3D models useful for architectural drawings and numerical modeling of structural analysis (fig. 3). 3.1. Laser Scanners Due to its simplicity, speed and capability of its use in the extensive applications; laser scanning is getting great interest recently. Laser scanners acquire realistic data of objects by measuring thousands of points with high accuracy in a time efficient way. By extensive processing phase the collected data can be used to construct 2D or 3D models useful in a wide variety of applications. Triangulation based, time of flight based and phase difference based laser scanner principles exist. Triangulation lasers are the devices that project a laser line or pattern onto an object and measure the deformation of that pattern using a visible sensor to determine the geometry of the object. Time of flight scanners compute by measuring the timeframe between sending a short laser pulse and receiving its reflection from an object. These two types of scanners are relatively slow but can measure points up to 1 km from the scanner without loss of accuracy. Phase based scanners use a modulated continuous laser wave instead of laser pulses allowing for faster measuring, but the range of these scanners is limited to approximately 50 80 m [2]. Laser scanners have been available for over ten years, but in the last three years their beneficial dziedzictwa kulturowego [6]. Trójwymiarowy skaner laserowy to jedno z narzędzi pozwalających na sporządzenie dokładnej inwentaryzacji budynku jako całości. Ważne jest, że trójwymiarowe skanowanie laserowe pozwala na pełen opis powierzchni, a nie tylko pomiar specyficznych punktów. Po przetworzeniu, zabrane dane można wykorzystać do tworzenia rysunków 2D i modeli 3D, które mogą być pomocne w przygotowywaniu dokumentacji architektonicznej i modeli dla numerycznej analizy konstrukcji (rys. 3). 3.1. Skanery laserowe Dzięki swej prostocie, szybkości i szerokim możliwościom zastosowania skanowanie laserowe budzi ostatnio ogromne zainteresowanie. Skanery laserowe dają realistyczne dane na temat obiektów dzięki bardzo dokładnym pomiarom tysięcy punktów wykonanym w stosunkowo krótkim czasie. W procesie przetwarzania, zebrane dane mogą być użyte do opracowania modeli dwu- i trójwymiarowych, przydatnych w bardzo wielu zastosowaniach. Skanery laserowe mogą opierać się na zasadzie triangulacji, na zasadzie czasu powrotu odbitego sygnału lub różnicy fazowej. Lasery triangulacyjne to urządzenia, które przenoszą laserową linię lub wzór na obiekt i mierzą stopień deformacji wzoru i w ten sposób ustalają geometrię obiektu. Skanery działające na zasadzie czasu powrotu odbitego sygnału opierają się o pomiar czasu pomiędzy wysłaniem krótkiego sygnału laserowego, a odebraniem jego odbicia od obiektu. Te dwa typy skanerów są stosunkowo wolne, ale mogą zmierzyć nawet punkty oddalone o 1 km, nie tracąc przy tym na dokładności. Skanery fazowe wykorzystują modulowaną ciągłą wiązkę laserową zamiast krótkich sygnałów, co pozwala na szybki pomiar, ale zasięg takich skanerów nie przekracza 50 80 m [2]. Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 663
applicability and improvements move forward. The improvements in software applications to handle and visualize the point clouds in an effective and efficient way have created a new era in surveying which is called High Definition Survey HDS. Using HDS technology the physical reality can be captured in an efficient, accurate and reliable way. Inaccurate or even wrong as built information was and still is a big problem for the architects. State of the art laser scanners are capable to generate today in a very short time huge data sets. In order to be able to manage this huge data set, totally new approaches and concepts are developed. HDS supporting generation of the data and results with solutions tailored specifically to the user and combines and integrates various scanning technologies and different software modules [8]. Figure 4 shows an example of HDS data obtained by Leica. The manner of using laser scanner is: filtering of every point for noise removal, removing of redundant points, generating a mesh and if there exist, filling of small holes by using curvature based filling algorithm [2]. 3.2. The Case Study of the Pink Pavilion In this paper Pink Pavilion is chosen as a case study which is one of the Yildiz Palace s buildings (fig. 5). Yildiz Palace is a vast complex of former imperial Ottoman pavilions and villas in Istanbul built in the late 19 th and early 20 th centuries. It was used as residence by the Sultan and his court. Pink Pavilion is a timber weekend dwelling constructed for Ottoman princes in the late 19th century [9]. In this study geodetic measurement and photogrammetric method are used and results are compared. 1/200 scaled stereo photos have taken by using Rolley Metric camera in the photogrammetric method and geodetic measurements have done by using 1+2 ppm precise Total Station. The Pink Pavilion building has been scanned by Mensi GS100 laser scanner from 15,25m with 1cm point density by sending two pulses to each control point. Control points on the façade were Fig. 4. Pink Pavilion Rys. 4. Różowy Pawilon Skanery laserowe są dostępne od ponad dekady, ale ostatnie trzy lata przyniosły duży rozwój ich zastosowań i jakości. Rozwój oprogramowania służącego do efektywnej, wydajnej obsługi i wizualizacji chmur punktów zapoczątkował nową erę w dziedzinie pomiarów, zwaną pomiarami wysokiej rozdzielczości ( High Definition Survey HDS). Za pomocą technologii HDS można dokumentować stan rzeczywisty w sposób wydajny, dokładny i wiarygodny. Niedokładne lub nawet błędne dane o stanie faktycznym były i nadal są poważnym problemem dla architektów. Najnowocześniejsze skanery laserowe mogą dziś tworzyć ogromne zbiory danych w bardzo krótkim czasie. Opracowuje się zupełnie nowe podejścia i koncepcje, aby zarządzać tymi dużymi zbiorami. HDS wspomaga generowanie danych i wyników zindywidualizowanymi rozwiązaniami, łącząc i integrując różne technologie skanowania i moduły oprogramowania [8]. Rys. 4 przedstawia przykład danych HDS zebranych za pomocą Leica. Tryb opracowywania danych uzyskanych w procesie skanowania laserowego jest następujący: filtrowanie chmury punktów w celu eliminacji szumów, usuwanie zbędnych punktów, generowanie modelu siatkowego oraz uzupełnienie nieciągłości w modelu za pomocą algorytmu wypełniania śledzącego zakrzywienia powierzchni [2]. 3.2. Studium przypadku Różowego Pawilonu W tym artykule, jako studium przypadku wybrano Różowy Pawilon, który jest jednym z budynków w zespole pałacowym Yildiz (rys. 5). Pałac Yildiz (Pałac Gwiazd) to rozległy kompleks pawilonów i willi w Istambule, powstały pod koniec XIX i na początku XX w. Służył jako rezydencja otomańskiego sułtana i jego dworu. Różowy Pawilon jest niewielką drewnianą budowlą wzniesioną jako pawilon rekreacyjny dla otomańskich książąt pod koniec XIX w. [9]. W ramach opisywanego projektu wykonano pomiary geodezyjne oraz fotogrametryczne, a następnie porównano wyniki. W ramach metody fotogrametrycznej wykonano zdjęcia stereo w skali 1/200 za pomocą kamery Rolley Metric, zaś pomiary geodezyjne wykonano za pomocą TotalStation o dokładności własnej 1+2 ppm. Budynek Różowego Pawilonu został także zeska- 664 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
Fig. 5. Data obtained from the scanning process Rys. 5. Dane uzyskane w procesie skanowania Fig. 6. Mesh generation model of the Pink Pavilion Rys. 6. Model Różowego Pawilonu z wygenerowanej siatki chosen by paying attention to the desired details and avoiding obstacles. Register process hade made by using Mensi Real Works software (figure 5) and the mesh generation was made by using trial version of Geomagic software (figure 6). Photogrammetric orientation and evaluation have made by Workstation software. Through point clouds 3D model was generated by using 3D Studio Max software. All extent data of the building can be obtained from this model. As a result of this study data obtained from geodetic measurements and photogrammetric method are compared. Consequently, geodetic point clouds in the stereo absolute orientation and point clouds in the registration process are different. Through the data of table 1 the formula (1) and (2) are calculated and differences of the accuracy between geodetic measurements and photogrammetric method are derived. nowany skanerem laserowym Mensi GS100 z odległości 15,25 m przy gęstości punktów 1 cm poprzez wysłanie dwóch impulsów do każdego punktu kontrolnego. Punkty kontrolne na fasadzie zostały wyznaczone tak, aby uwzględnić istotne szczegóły i uniknąć przeszkód. W procesie rejestracji użyto oprogramowania Mensi Real Works (rys. 5), a model siatkowy wygenerowano za pomocą ewaluacyjnej wersji oprogramowania Geomagic (rys. 6). Do orientacji i opracowania fotogrametrycznego wykorzystano oprogramowanie Workstation. Z chmury punktów wygenerowano model 3D za pomocą oprogramowania 3D Studio Max. Z modelu tego można uzyskać wszystkie dane o wymiarach budynku. Wynikiem badań było porównanie danych uzyskanych za pomocą pomiarów geodezyjnych z danymi uzyskanymi metodą fotogrametryczną. Jak należało przewidywać, otrzymane wyniki różniły się. Podstawiając dane z tabeli 1 do wzorów (1) i (2), wyliczyć można różnice w dokładności między pomiarami geodezyjnymi i metodą fotogrametryczną. Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 665
d xyz 2 2 2 ( xgeo x pocl ) ( y geo y pocl ) ( z geo z pocl ) (1) d xyz 2 2 2 ( xstereo x pocl ) ( ystereo y pocl ) ( zstereo z pocl ) (2) Tab. 1. The difference between Geodetic coordinates and point clouds; and stereo model coordinates and point clouds Różnice między geodezyjnymi współrzędnymi i chmurami punktów a współrzędnymi i chmurami punktów modelu stereo Geodetic Coord-Point Cloud Coord Współrzędne geodezyjny-współrzędne chmury punktów Stereo Model Coord-Point Cloud Coord Współrzędne modelu stereo-współrzędne chmury punktów dx (mm) dy (mm) dz (mm) dx (mm) dy (mm) dz (mm) -13 14-12 -6 11-5 11-19 -16 6-14 -2 11-24 -21 3-9 -5 15-23 -13 10-9 -4 18 24 11 8 17 14 14-19 -12 22-10 4 20 19 12 14 10 9-23 -18 20-10 -12 11 22 16-14 4 13-5 22 23 17 5 12 14-17 17 15-6 13 10 10 7 25 14 14 10-12 8 21 8-8 8-26 -13 6-10 -21 1-22 19 5-32 8-7 12 21 17-2 8 4 25 24-11 13 17-3 19 13-5 10 1 7-8 -24-7 -14-6 -11-17 -11 12-9 3 5-12 -22-21 4-4 -9-21 -25-14 -9-11 -8 20-23 12 14-15 6-9 -13 15-2 1 8-16 -10 5-2 -12 16 According to the calculation of the formulas above, the max difference between geodetic coordinates and point clouds is 26 mm; and the max difference between stereo model coordinates and point clouds is 42 mm. So, the average difference between geodetic measurements and photogrammetric method is 34 mm. The main reason of those different resulting values is choice of 1 cm point density. Mensi GS100 laser scanner is capable to work with 2 mm point density. The choice of min value point density has advantages and disadvantages. Min point density value give more precise measures, but processing and 3D modeling are not time efficient procedures. Due to the fact that the Pink Pavilion building is timber structure and has flat façade 1 cm point Z powyższych wyliczeń wynika, że maksymalna różnica między współrzędnymi geodezyjnymi a chmurami punktów wynosi 26 mm, a maksymalna różnica między współrzędnymi modelu stereo a chmurami punktów wynosi 42 mm. Oznacza to, że przeciętna różnica między pomiarami geodezyjnymi a metodą fotogrametryczną wynosi 34 mm. Główną przyczyną różnic w uzyskanych wartościach jest wybór gęstości skanowania jako 1 cm. Skaner laserowy Mensi GS100 może pracować przy gęstości punktów 2 mm. Wybór minimalnej wartości gęstości punktów ma swoje zalety i wady. Minimalna wartość gęstości punktów daje bardziej precyzyjne pomiary, ale przetwarzanie i modelowanie trójwymiarowe są bardziej czasochłonne. Ponieważ Różowy Pawilon jest konstrukcją drewnianą i ma płaską fasadę, gęstość skanowania 1 cm była wła- 666 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
density was appropriate in this study. If architectural as built drawings are required, it is obvious that in comparison with manual measures both results are satisfying. 4. Conclusion Conservation of cultural heritage as well as historical heritage and forward it to the future generation is human imperative. Properly documentation is the main issue of the preservation. Photogrammetric methods or techniques are successfully used to document historic buildings since many years. Many different recording techniques are available and widely used on this field. By the recent developments in the field of computer technology it is possible to create as built survey documentation in a very time efficient and accurate way. Especially, the emerging of laser scanning technology offers effective, accurate and fast capturing of as built information and subsequent efficient utilization of the captured data for engineering tasks and purposes. Laser scanning technology combines and integrates various data and different software modules which facilitate the digital reconstruction and making realistic models. This integration supports data handling and delivering of the results to the various applications in an effective way. In this paper an attempt was made to explain the state of the art of documentation techniques and the importance of the accurate geometric survey in the field of preservation and conservation of cultural heritage. Photogrammetry as a tool for acquiring geometric data is being used for years. Nevertheless it is possible to say that there is necessity of much work and collaboration among researchers from different research disciplines involved in historical heritage. Progress, already performed studies and also requirement of the improvements on this field can be listed as follows: Lots of researches and studies have been carried out on the field of using photogrammetry in architecture, particularly for acquiring geometrical data, making 3D models and generating as built drawings. In the comparison between photogrammetric method and laser scanning method it is obvious that relatively those methods have advantages and disadvantages. More precise and accurate data could be obtained by integration of both methods. The use of accurate geometrical data for structural analysis objectives is the main application in case of preservation of historical structures. The main goal is to convert point cloud data to 2D or 3D model and into usable information for the structural analysis. ściwa dla opisywanego przypadku. Jeśli wynikiem prac ma być architektoniczna dokumentacja stanu faktycznego, oczywiste jest, że w zestawieniu z pomiarami ręcznymi oba wyniki są satysfakcjonujące. 4. Wnioski Ochrona dziedzictwa kulturowego i historycznego jako przekazywanie tego dziedzictwa kolejnym pokoleniom jest powinnością człowieka. Właściwa dokumentacja to główna kwestia w procesie konserwacji. Metody lub techniki fotogrametryczne są od lat używane z sukcesem do dokumentowania historycznych budynków. W tej dziedzinie istnieje wiele technik inwentaryzacyjnych i są one powszechnie używane. W ostatnich latach, dzięki rozwojowi technologii komputerowej, możliwe jest efektywne czasowo tworzenie szczegółowej dokumentacji stanu istniejącego. Szczególnie nowa technologia skanowania laserowego umożliwia skuteczne, dokładne i szybkie zebranie informacji o stanie faktycznym, a następnie efektywne zastosowanie zebranych danych w zadaniach inżynieryjnych. Technologia skanowania laserowego łączy i integruje różne dane i różne moduły oprogramowania, które ułatwiają cyfrową rekonstrukcję i tworzenie wiernych rzeczywistości modeli. Taka integracja efektywnie wspomaga przetwarzanie danych i ich udostępnianie dla różnorodnych zastosowań. W prezentowanym artykule podjęto próbę opisu aktualnego stanu wiedzy na temat technik dokumentacji i znaczenia dokładnych pomiarów geodezyjnych dla konserwacji i ochrony dziedzictwa kulturowego. Fotogrametria jest narzędziem pozyskiwania danych geodezyjnych używanym już od wielu lat. Można jednak powiedzieć, że potrzeba dużo pracy i współpracy naukowców z różnych dyscyplin związanych z ochroną dziedzictwa kulturowego. Postęp, wykonane już badania oraz potrzeby udoskonalania tej metody można podsumować następująco: Wielu badaczy i wiele badań podejmowało kwestię wykorzystania fotogrametrii w architekturze, szczególnie do uzyskiwania danych geometrycznych, przygotowania modeli 3D i rysunków inwentaryzacyjnych. Porównanie metody fotogrametrycznej z metodą skanowania laserowego dowodzi, że obie mają swoje zalety i wady. Integracja obu tych metod może dostarczyć więcej bardziej precyzyjnych danych. Wykorzystanie dokładnych danych geometrycznych do analizy konstrukcyjnej to główne zastosowanie w dziedzinie konserwacji budowli historycznych. Głównym celem jest przekształcenie danych z chmury punktów w modele dwu- i trójwymiarowe oraz w informacje przydatne w analizach konstrukcyjnych. Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 667
It is possible to create as built survey documentation in a very time efficient and accurate way by using laser scanning technology, although the post processing of laser scan data still requires a lot of manual work. It is beneficial due to enabling a full surface description instead of measuring only specific points as with total station survey. Façade drawings and sections can be easily extracted. The use of acquired data by laser scanning is not limited to one application (e.g. as built drawings), but it can be integrated and exported to different software modules for using in different tasks (AutoCAD, Micro- Station etc.). Behind, it can be used also for 3D virtual modeling, heritage archiving, deformation and damage monitoring of the historical structures. Integration between different tools and soft wares still need improvements. Integration of the methodology within a decision tool platform by means of a common platform is the focus for future research. Although laser scanning is an evolving technology, data processing and conversion is still time consuming task. Automation is possible but requires specific user algorithms. The development of the software functionality allows managing and visualizing billions of data points in an interactive mode. The capability to handle large data sets offer to combine data from different sources and measurement techniques in a single data set and make the resulting point clouds more valuable for many applications. Accurate and reliable data to be used in the FEM analysis can be generated through the laser scanning data. However, this process needs to develop through joint work of architects, civil engineers and photogrammetry specialists interested in this field. HDS is the new way in reality capturing and will change the way of interacting with a geometrically correct and complete representation of reality. The development of computer technology, tools, workflows and methodologies in the field of accurate data acquisition and the way of capturing reality will continue. In the field of preservation of historical heritage, by means using of laser scanner data, interdisciplinary researches and studies are indispensable. Inwentaryzacja za pomocą technologii skanowania laserowego daje dokładne wyniki w krótszym czasie, pomimo iż późniejsze przetwarzanie danych ze skanowania jest nadal procesem czasochłonnym. Technologia ta jest pomocna, ponieważ pozwala na opis całej powierzchni, a nie tylko na pomiar poszczególnych punktów, jak w przypadku TotalStation. Można łatwo uzyskać widoki elewacji i przekroje. Wykorzystanie danych uzyskanych za pomocą skanera laserowego nie ogranicza się do jednego celu (np. dokumentacja stanu faktycznego), można je integrować i eksportować do różnych modułów oprogramowania i stosować do różnych zadań (AutoCAD, MicroStation itp.). Poza tym, można je wykorzystać do tworzenia wirtualnych modeli trójwymiarowych, archiwizacji dziedzictwa, monitoringu zniekształceń i uszkodzeń konstrukcji historycznych. Integracja różnych narzędzi i programów nadal wymaga wiele pracy. Integracja metodologii na poziomie narzędzi decyzyjnych na wspólnej platformie to centralny punkt przyszłych badań. Chociaż skanowanie laserowe to rozwijająca się technologia, przetwarzanie i konwersja danych to nadal czasochłonne zadanie. Możliwa jest automatyzacja, ale wymaga ona specyficznych i zindywidualizowanych algorytmów. Rozwijanie funkcjonalności oprogramowania pozwala na zarządzanie i interaktywną wizualizację miliardów punktów. Możliwość obsługi wielkich zbiorów danych umożliwia łączenie danych z różnych źródeł i technik pomiaru w jednym zbiorze danych, a uzyskane w ten sposób chmury punktów są przydatne w wielu zastosowaniach. Dokładne i wiarygodne dane do wykorzystania w analizach MES można uzyskać z danych skanowania laserowego, ale proces ten musi być rozwijany we współpracy architektów, inżynierów i specjalistów fotogrametrii pracujących w tej dziedzinie. HDS to nowa technologia dokumentowania stanu rzeczywistego, która odmieni sposób interakcji z geometrycznie poprawnym i wiernym odwzorowaniem rzeczywistości. Rozwój technologii komputerowej, narzędzi, algorytmów i metodologii w dziedzinie pozyskiwania dokładnych danych i dokumentowania stanu faktycznego bynajmniej się nie zakończył. W dziedzinie ochrony historycznego dziedzictwa z pomocą danych ze skanerów laserowych niezbędne są dalsze interdyscyplinarne studia i badania. 668 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
References Literatura [1] Boeykens S., Santana M., Neuckermans H., Improving Architectural Design Analysis Using 3D Modeling and Visualisation Techniques, In: Proceedings of the 14 th International Conference on Virtual Systems and Multimedia VSMM, Cyprus 2008. [2] Schueremans L., Van Genechten B., The Use of 3D Laser Scanning in Assessing the Safety of Masonry Vaults A Case Study on the Church of Saint Jacobs, Optics and Lasers in Engineering (Journal of Elsevier), 2009, 47, 329 335 [3] L. Binda, A. Saisi, Research on Historic Structures in Seismic Areas in Italy, Journal of Wiley Inter science, 2005 (www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/pse.194 [4] Debevec P.E., Modeling and Rendering Architecture from Photographs, University of California Berkeley, PhD Dissertation, 1996. [5] Baltsavias P.E., A Comparison Between Photogrammetry and Laser Scanning, ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 1999, 54, pp. 83-84. [6] Przybilla H.J., Peipe J., 3D Modeling of Heritage Objects by Fringe Projection and Laser Scanning Systems, XXI International CIPA Symposium, Athens, Greece, 2007. [7] Vatan M., Arun G., Using Photogrammetric Data for Establishing 3D Finite Element Model of a Masonry Aqueduct, In: Proceedings of the XX. CIPA International Symposium, Torino, Italy, 2005. [8] Erwin F., Kung J., Bukowski R., High Definition surveying (HDS): A New Era in Reality Capture, International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2004, Vol. XXXVI 8/W2. [9] Encyclopedia of Istanbul (Dünden Bugüne İstanbul Ansiklopedisi), Volume 7, History Foundation of Turkey and Ministry of Culture and Tourism (Tarih Vakfi ve Kültür ve Turizm Bakanlığı), Istanbul 1994. [10] Selbesoglu M.O., Demet A., Yersel Lazer Tarayıcılar ile Üç Boyutlu Modelleme ve Uygulaması, Yildiz Technical University, Civil Engineering Faculty, Division of Photogrammetry, Istanbul (graduation thesis), 2008. YTU Faculty of Architecture, Structural Systems Division YTU Wydział Architektury, Zakład Systemów Konstrukcyjnych YTU Institute of Science and Technology YTU Instytut Nauki i Technologii *** YTU Civil Engineering Faculty, Division of Photogrammetry YTU Wydział Inżynierii Cywilnej, Zakład Fotogrametrii Abstract Accurate geometric data is the most important issue in the filed of safety evaluation and preservation of historical structures. Photogrammetry is successfully used to document historic buildings since many years. By the recent developments in the field of computer technology it is possible to create as built survey documentation in a very time efficient and accurate way. Traditionally total stations are used to record data of the structures and other techniques are close range photogrammetry and laser scanning which are faster and precise methods. The aim of this study is to point out the importance of realistic geometric modeling of historic structures for evaluating the safety condition and to discuss data acquisition methods using in preservation of historical structures and stress particularly on the laser scanning technology. Streszczenie Dokładne dane geometryczne to najistotniejsza kwestia w dziedzinie oceny bezpieczeństwa i ochrony historycznych konstrukcji. Fotogrametrię od lat wykorzystuje się z sukcesem do dokumentowania historycznych budowli. Dzięki postępowi technologii komputerowej w ostatnich latach możliwe jest tworzenie dokumentacji stanu faktycznego bardzo dokładnie i w stosunkowo krótkim czasie. Tradycyjnie do zapisywania danych konstrukcji stosuje się total stations, zaś inne technologie to fotogrametria bliskiego zasięgu i skanowanie laserowe, które są metodami szybszymi i dokładniejszymi. Celem niniejszego badania było wskazać znaczenie realistycznego modelowania historycznych konstrukcji dla oceny stanu bezpieczeństwa oraz omówić metody uzyskiwania danych używane w dziedzinie konserwacji historycznych budowli ze szczególnym naciskiem na technologię skanerów laserowych. Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 669
NAUKA SCIENCE Michał Kędzierski, Anna Fryśkowska Rafał Dąbrowski, Michalina Wilińska Naziemne skanowanie laserowe obiektów sakralnych z zastosowaniem technologii HDS Terrestrial laser scanning of sacred buildings in HDS technology 1. Wstęp W przeciągu ostatnich kilkunastu lat zauważalny jest bardzo dynamiczny rozwój technologii naziemnego skanowania laserowego (NSL). NSL jest technologią umożliwiającą dokonanie (w pełni automatycznie) precyzyjnego pomiaru obiektu przestrzennego poprzez skanowanie powierzchni budynku, rzeźby etc. W wyniku pomiaru otrzymuje się tzw. chmurę punktów (punkty o współrzędnych X, Y, Z oraz intensywność). Pozyskana zostaje w ten sposób informacja o geometrii obiektu, a także o intensywności powracającego sygnału. Na podstawie tak dużej liczby punktów możliwe jest wykonanie bardzo dokładnych modeli elewacji czy wnętrza kościołów, a także niezbędnych rysunków wektorowych czy przekroi, które często są wykorzystywane przez architektów i konserwatorów zabytków do odtworzenia stanu faktycznego obiektu sprzed renowacji lub wizualizacji geometrii obiektu. W artykule przedstawione zostanie wykorzystanie w architekturze sakralnej technologii naziemnego skanowania laserowego na przykładzie opracowania zabytkowego kościoła drewnianego w Żukowie. Pomiary wykonane zostały skanerami: impulsowym ScsanStation2 oraz fazowym HDS6000. 2. Zastosowanie NSL do badania stanu obiektów zabytkowych Dzięki NSL możliwy jest bezdotykowy pomiar, czy też badanie struktury lub geometrii obiektów przestrzennych. Wiąże się z to z możliwością wy- Praca dopuszczona do druku po recenzjach 1. Introduction Recently, the use of terrestrial laser scanning (TLS) is more and more popular. TLS technology can be used to conduct (fully automatically) precise measurements of space objects by scanning the surface of buildings, sculptures, etc. As a result of the measurement you get so called point cloud (points with the X, Y, Z coordinates and the intensity value) This way you can get the information about the geometry of an object as well as about the intensity of the returning signal. On the basis of such a huge number of points it is possible to generate highly accurate models of the facades or interiors of churches as well as necessary vector drawings or cross sections which are often used by architects and art conservators to restore the original condition of buildings from before renovation or for visualization of the geometry of such objects. In this paper we present the use of the terrestrial laser scanning technology in documenting sacred architecture heritage, based on example of the wooden church in Zukow. The survey was performed with two different types of scanners: pulsed scanner (ScanStation2) and phase-based scanner (HDS 6000). 2. The application of TLS in surveys of architectural heritage With the use of TLS it is possible to remotely measure or study the structure and geometry of spatial objects. This results in a possibility of Article accepted for publishing after reviews 670 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
konania pomiarów nie tylko w miejscach trudnodostępnych (jak np. sklepienia kościelne), ale także pomiaru elementów o skomplikowanej budowie czy kształcie (ornamenty, filary, ołtarze itp.). Ponadto, co jest szczególnie istotne z punktu widzenia architektów dane te mogą być eksportowane do plików systemów typu CAD (formaty.dxf,.dgn itp.), gdzie na ich podstawie generowane są rysunki wektorowe czy też trójwymiarowe modele. 2.1. Pozyskiwanie danych W ramach prac badawczych wykonane zostało skanowanie zabytkowego drewnianego kościoła w Żukowie k. Warszawy za pomocą dwóch typów skanerów: impulsowego Leica ScanStation2 oraz fazowego HDS6000. Skaner Leica ScanStation2 jest skanerem impulsowym o zasięgu kilkuset metrów umożliwiającym wykonanie pomiarów z milimetrową precyzją. Jego wysoka produktywność jest zapewniona poprzez wysoką dokładność wyznaczenia współrzędnych punktów w przestrzeni (6 mm), pomiaru odległości (4 mm), a przede wszystkim niespotykaną dotąd zdolność zagęszczenia ścieżki skanowania poniżej 1 mm. Jest to szczególnie przydatne przy precyzyjnych pomiarach niewielkich elementów architektonicznych lub przemysłowych. Przewagą systemu jest również możliwość wizualnego umiejscowienia pojedynczego, specyficznego punktu czy wybranego elementu obiektu na badanej powierzchni i wykonanie bardzo dokładnego pomiaru tego elementu. Skaner posiada również wbudowaną kamerę cyfrową o rozdzielczości 6,4 mln pikseli. Z kolei skaner HDS6000 jest skanerem fazowym o prędkości skanowania do 500 tys. pkt/s i zasięgu do 80 m. Jest ultraszybkim skanerem nowej generacji i pozwala na wyznaczenie współrzędnych punktu z dokładnością do 6 mm na odległości 25 m i odpowiednio 10 mm na odległości 50 m. Oba systemy skanujące sterowane są z wykorzystaniem oprogramowania Cyclon. 2.1.1. Zasada pomiaru Obecnie wykorzystywanymi typami systemów skanujących są: impulsowy skaner laserowy i fazowy skaner laserowy. Pomiar laserowy polega na wyemitowaniu wiązki światła koherentnego, która odbija się od przeszkody (badany obiekt) i powraca do urządzenia. Wówczas pozyskiwana zostaje informacja o odległości (czasie przebiegu wiązki tam i z powrotem) oraz o kątach poziomym i pionowym do obiektu względem skanera. Następnie wyznaczone zostają współrzędne przestrzenne każdego punktu. Różnica pomiędzy skanerem impul- making measurements not only in places with difficult access (such as church vaults) but also the measurements of elements with complicated structure or shape (ornaments, pillars, altars, etc.). Furthermore, which is especially important from the point of view of the architects the data can be exported to CAD system files (formats.dxf,.dgn, etc.), where 2D vector drawings or 3D models can be generated. 2.1. Data collection The survey included scanning of the historical wooden church in Zukow near Warsaw with the use of two types of scanner: pulsed scanner Leica ScanStation2 and phase-based scanner HDS6000. Leica ScanStation2 is a pulsed scanner with the range of a few hundred meters whose precision is sufficient to conduct measurements with few millimeters precision. Its high productivity is assured by the high precision of calculation of the coordinates of spatial points (6 mm), measurements of distance (4 mm) and first of all the high scanning density which can be even below 1 mm. This is especially useful in precise measurements of small architectural or industrial details. Another advantage of this system is the possibility of visual location of a single, specific point or a chosen detail of an object on test area and conducting a very precise measurement of such an object. The scanner also has a built-in digital camera with the resolution of 6.4 million pixels. On the other hand, HDS6000 is a phasebased scanner with the scanning speed of up to 500 thousand points/s and the range of up to 80 m. This is a new generation ultra-fast scanner which can locate the coordinates of a point with the precision of up to 6 mm at the distance of 25 m or respectively 10 mm at the distance of 50 m. Both scanning systems are supported by Cyclon software. 2.1.1. Measurement method At present two types of scanning systems are used: pulsed laser scanner and phase-based laser scanner. Laser measurement consists in emitting a coherent light beam which reflects against any obstacle (object of study) and returns to the device. Then the information is collected about the distance (beam travel time) as well as horizontal and vertical angles from an object to the scanner. Next the spatial coordinates of each point are calculated. The difference between pulsed scanner and phase-based scanner is based on the method Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 671
sowym a fazowym sprowadza się do metody wyznaczenia odległości (pomiar czasu przebiegu impulsu lub pomiar fazy wiązki lasera). Pozyskiwanie danych Proces pozyskiwania danych z naziemnego skaningu laserowego składa się z kilku etapów: zaplanowania stanowisk pomiarowych, skanowania, rejestracji danych (połączenia poszczególnych skanów i ujednolicenia układu współrzędnych), przetwarzania danych: wektoryzacja, modelowanie itp. 2.1.2. Zaplanowanie stanowisk pomiarowych Wcześniejsze rozplanowania stanowisk pomiarowych jest szczególnie istotne szczególnie wtedy, gdy mówimy o pomiarze skanerem fazowym, charakteryzującym się niewielkim zasięgiem (zwłaszcza jeżeli kąt skanowania do obiektu jest duży). Autorzy publikacji przeprowadzili już badania dotyczące wpływu kąta skanowania i odległości skanowania na ilość i jakość powracającego sygnału odbitego od różnego rodzaju struktur. Były to próbki materiałów takich jak: cegła, drewno, szkło witrażowe, beton, różnego typu skały, z jakich mogą być zbudowane zabytkowe kościoły. Z przeprowadzonych wcześniej badań dla skanera impulsowego wynika, iż dla materiałów typu drewno czy cegła liczba punktów odbitych spada wyraźnie już na odległości 200 m, a także przy kątach skanowania powyżej 45. W tabeli 1 przedstawione są wyniki dla przykładowych materiałów: cegły i drewna. Oprócz spadku liczby punktów zauważalne jest, iż przy odległości od obiektu rzędu 100 m i dla wartości kątów obrócenia próbek tylko do 45 wartość intensywności odbicia spada ponad dwukrotnie. Na odległościach powyżej 200 m, dla cegły liczba zarejestrowanych punktów spadła do zera, zatem nie można było zarejestrować intensywności odbicia, nawet dla niewielkich wartości kątów obrotu. Taka informacja o charakterze materiału jest szczególnie istotna przy wyborze i rozmieszczeniu stanowisk skanera. Z kolei w przypadku skanera fazowego praktyczna odległość skanowania nie przekracza 50 m przy odpowiednim ustawienie stanowisk (możliwe prostopadle do obiektu). Dla większych kątów padania wiązki (rzędu 30-40 ), zwłaszcza dla powierzchni ciemnych (pokrycia dachowe), liczba zarejestrowanych punktów spada kilkakrotnie. W przypadku elementów drewnianych zasięg skanowania jest znacznie większy. of calculating the distances (measurements of pulse travel time or the measurements of the laser beam phase). Data collection The process of data collection from the terrestrial laser scanner includes a few stages: planning the measurement stations scanning data registration (referencing of individual scans and unification of the system of coordinates) data processing: vectorization, modeling, etc. 2.1.2. Planning the measurement stations Planning of the measurement stations is especially important in the case of measurement with the use of the phase-based scanner which has a small range (especially if the scanning angle is unfavorable). The authors of the publication have already conducted research regarding the impact of the scanning angle and distance on the number and the quality of the returning signal reflected from different types of structure. The sample materials included brick, wood, stained-glass, concrete and different types of rock from which historical churches can be built. The tests conducted with the use of the pulsed scanner demonstrate, that when such materials as wood or brick were used, the number of reflected points drops significantly already at the distance of 200 m as well as with the scanning angles over 45. Table 1 presents the results for sample materials: brick and wood. Apart from the drop of the number of points, it is evident that with the distance from the object of about 100 m and for the values of the angles of rotation of the samples only up to 45, the value of reflection intensity drops more than twice. For the distance of over 200 m, in the case of brick, the number of registered points dropped to zero, so it was impossible to register the reflection intensity even for low values of the angles of rotation. Such information about the nature of material is especially important when selecting and locating the scanner measurement stations. On the other hand, in the case of the phase-based scanner the practical distance of scanning does not exceed 50 m with the correct distribution of stations (possibly perpendicular to the object). For scanning angels in a range about 30-40, especially for dark surfaces (roofing claddings), the number of registered points drops several times. In the case of wooden elements, the range of scanning is much greater. 672 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
Tab. 1. Liczba punktów odbitych od próbki wraz z intensywnością odbicia od przykładowych powierzchni: cegły, drewna Number of points reflected from the sample and reflection intensity. Examples: for the brick and wood Odległość [m] Distance [m] Kąt [ ] Angle [ ] Liczba punktów odbitych Number of reflected points Powyższe wyniki zostały uwzględnione podczas planowania rozmieszczenia stanowisk pomiarowych (rys. 1). Stanowiska zostały rozmieszczone tak, aby możliwe było zeskanowanie wszystkich elementów kościoła (zarówno wnętrza, jak i elewacji). Zewnętrzna elewacja budynku pomierzona została z czterech stanowisk, wewnętrzna zaś na podstawie 2 stanowisk. Do połączenia obu części wykorzystano grupę tarcz celowniczych HDS. Tarcze ustawione zostały przed wejściem do kościoła, a także na bramie przed kościołem. Dodatkowo, z uwagi na konstrukcję kościoła, możliwy był pomiar tarczy HDS (punktu wiążącego) również przez drzwi boczne (tarcza T17, rys. 1). Cegła Brick Intensywność odbicia Reflection intensity Liczba punktów odbitych Number of reflected points Drewno Wood Intensywność odbicia Reflection intensity 17 0 37213 0,4049 35153 0,5598 22,5 30440 0,3981 34637 0,5558 45 22385 0,3838 24245 0,5054 67,5 9600 0,3587 11104 0,4065 50 0 35320 0,2816 39500 0,3685 22,5 31279 0,2780 33040 0,3689 45 19271 0,2723 22782 0,3411 67,5 12283 0,2605 11971 0,2895 100 0 28394 0,1993 32239 0,2608 22,5 29218 0,1957 32547 0,2609 45 22623 0,1884 24832 0,2473 67,5 10629 0,1693 12139 0,2059 200 0 241 0,1197 25817 0,1691 22,5 0 0 27672 0,1702 45 0 0 15164 0,1369 67,5 0 0 0 0 290 0 0 0 1283 0,1195 22,5 0 0 791 0,1125 45 0 0 0 0 67,5 0 0 0 0 The results presented above were taken into account when planning the location of the measurement stations (fig. 1). The stations were located in such a way as to enable the scanning of all details of the church (both inside and outside). The facades of the building were measured from four stations, whereas the interior from two stations. In order to connect both parts, a group of HDS targets was used. The targets were placed in front of the church entrance, as well as on the gate in front of the church. Additionally, due to the construction of the church, it was possible to measure the HDS target (tie point) also through side doors (target T17, fig. 1). Rys. 1. Szkic rozmieszczenia stanowisk i tarcz celowniczych HDS dla pomiaru skanerem impulsowym. Oznaczenia: ST stanowiska pomiarowe, T tarcze celownicze HDS; kolorem szarym zaznaczono obiekt-kościół; na zdjęciu: widok rozmieszczenia grupy tarcz celowniczych na bramie wjazdowej Fig. 1. Sketch of the pulsed laser scanner stations (ST) and HDS targets (T). Gray color represents the church and the photo on the left the group of the HDS targets, located on the entrance gate Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 673
2.1.3. Skanowanie obiektu Zewnętrzna część budynku zeskanowana została z rozdzielczością 5 mm (na zadanej odległości ok. 30 m). W wyniku pomiaru pozyskanych zostało ok. 10 mln punktów przedstawiających elewację budynku. Skany wykonane na poszczególnych stanowiskach zapisywane zostały w bazie danych w tzw. środowiskach skanowania (ang. ScanWorlds). Z każdego stanowiska widocznych było co najmniej 5 wspólnych sygnałów. Podczas pozyskiwania informacji o położeniu punktów w przestrzeni pozyskuje się również bardzo ważną daną mianowicie wartość intensywności powracającego sygnału. Na jej podstawie możemy stwierdzić jak silny był powracający do detektora sygnał. Rys. 2a przedstawia skan budynku w domyślnych barwach skanera. Czerwona barwa oznacza sygnał o małym albedo, z kolei niebieska o bardzo wysokim albedo. Na rys. 2b widoczne są te same chmury punktów, ale z teksturą pozyskana na podstawie wbudowanej w skaner impulsowy kamery cyfrowej. Taka prezentacja danych bardzo często ułatwia interpretację, czy też odnalezienie konkretnych szczegółów na obiekcie. 2.1.3. Scanning of the church The external part of the building was scanned with the 5 mm resolution (at distance of about 30 m). As a result of the measurement about 10 million points representing the facade of the building were acquired. The scans made from individual stations were recorded in the database in so called ScanWorlds. At least five common HDS targets were visible from each station. During cloud point acquisition, some other very important information is obtained too namely the value of intensity of the returning signal. It can be used to determine the strength of the signal returning to the detector. Fig. 2a shows the scan of the building in colors representing reflection intensity. Red color represents the signal with low albedo, whereas blue color represents very high albedo. In fig. 2b you can see the same point clouds but with the texture collected by the pulsed scanner built-in digital camera. Such a presentation of data very often facilitates the interpretation or finding specific details. For comparison, the measurements of the same object were made with the use of the phase-based scanner HDS 6000. Rys. 2. Połączone skany kościoła w Żukowie: a) widok w barwach intensywności odbicia (barwy ze skanera), b) skany z nałożoną teksturą pozyskaną ze zdjęć cyfrowych Fig. 2. Registered scans of the church in Zukow: a) intensity colors (colors from scanner) b) textured scans Dla porównania przeprowadzono pomiary tego samego obiektu z wykorzystaniem skanera fazowego HDS 6000. Pomimo faktu, że deklarowana rozdzielczość skanowania wynosiła 4 mm na odległości 30 m, a teoretyczny zasięg skanera to 80 m, widoczne są braki w danych. Szczególnie zauważalne jest to na dachu budynku oraz wieży, gdzie istotnym czynnikiem wpływającym na zakres skanowania był kolor pokrycia dachowego, odległość oraz kąt do stanowiska. W przypadku pomiarów elewacji obiektów sakralnych zdecydowanie korzystniejszy jest pomiar skanerem impulsowym. Despite the fact that the rated resolution of scanning was 4 mm at the distance of 30 m and the theoretical range of the scanner is 80 m, some data are missing. This is especially evident on the roof of the building and the tower, where the significant factors affecting the scan was the roof color, the distance and the station angle. In the case of the measurements of the facades of sacred buildings the pulsed scanner is definitely more useful. 674 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
Skaner impulsowy Skaner fazowy Rys. 3. Porównanie wyników pomiarów skanerami impulsowym i fazowym Fig. 3. Comparison of the measurements conducted by pulsed and phase-base scanner 2.1.4. Skanowanie wnętrza 2.1.4. Interior scanning Celem skanowania wnętrza kościoła było wykonanie dokumentacji szczegółów takich jak ornamenty, rzeźby, sklepienie, newralgiczne elementy konstrukcji itp. Skanowanie wnętrzna wykonane zostało z rozdzielczością 7 mm, a dla wybranych elementów gęstość ścieżki skanowania została zwiększona do 3 mm. Dzięki takiej liczbie punktów można wykonać dokładne trójwymiarowe modele i ortoobrazy ścian, sufitu, okien oraz rzeźb. Rys. 4a i b przedstawia skany wnętrzna kościoła wykonane odpowiednio skanerem fazowym i impulsowym. The objective of the scanning of the church interior was to create documentation of such details as ornaments, sculptures, vaults, critical elements of the construction, etc. The interior was scanned with the 7 mm resolution, and for selected elements the scanning path density was increased to 3 mm. With that number of points it is possible to generate detailed 3D models and orthophotos of the walls, ceiling, windows and sculptures. Fig. 4a and b show the scans of the interior of the church made with the phase-based and pulsed scanners respectively. Rys. 4. Skany wnętrza kościoła wykonane: a) skanerem fazowym, b) skanerem impulsowym Fig. 4. The scans of the church interior: a) pulsed scanner, b) phase-based scanner Już na etapie pozyskiwania danych zauważalna staje się jedna z podstawowych różnic pomiędzy skanerami impulsowymi i fazowymi tj. zasięg i rozdzielczość skanowania. Skaner impulsowy po- Already at the stage of data acquisition, one of the basic differences between the pulsed scanner and phase-based scanner becomes evident the scanning range and resolution. The pulsed scanner Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 675
siada znacznie większe możliwości pomiaru obiektów wysokich (użyteczny zasięg do 200 m), a ponadto zdolność zagęszczenie ścieżki skanowania poniżej 1 mm. Z kolei skanery fazowe w zastosowaniach wewnętrznych są zdecydowanie bezkonkurencyjne w porównaniu ze skanerami impulsowymi. Dla porównania: skanowanie wnętrzna kościoła w pełnym zasięgu (czyli 360 stopni na 270 stopni) skanera impulsowego trwało ok. 120 minut, natomiast fazowego 23 minuty, przy dużo wyższej rozdzielczości. Skaner fazowy umożliwia pomiar dużo większej liczby punktów w tym samym czasie. 2.1.5. Rejestracja danych Pierwszym, wstępnym opracowaniem danych pomiarowych jest łączenie i wzajemne orientowanie skanów pozyskanych z pomiarów wykonanych na poszczególnych stanowiskach, czyli tzw. rejestracja. I tak, dla części zewnętrznej i wewnętrznej, rejestracja metodą na tarcze, gdzie punktami wiążącymi są właśnie tarcze HDS (zarówno dla skanera impulsowego, jak i fazowego) przeprowadzona została z błędem średnim nie przekraczającym wartości 3 mm. Warto zauważyć, że błędy na poszczególnych tarczach osiągają wartości na poziomie dokładności pomiaru skanera, rzędu 2-3 mm. 2.1.6. Przetwarzanie danych wektoryzacja i modelowanie 3D Z punktu widzenia opracowań architektonicznych coraz bardziej popularne stają się trójwymiarowe modele obiektów oraz rysunki wektorowe, najczęściej generowane w systemach typu CAD. Dane pozyskane ze skanowania laserowego przedstawiają powierzchnię jako nieuporządkowaną chmurę punktów. Nie przedstawia ona jednak obiektu jako struktury o konkretnej geometrii. Do wizualizacji struktury wykorzystuje się rysunki wektorowe oraz modele przestrzenne. Rysunek wektorowy może być utworzony manualnie, półautomatycznie lub automatycznie. Pierwsze dwie metody polegają na rysowaniu przez operatora szkieletu konstrukcji bądź poszczególnych elementów architektonicznych, poprzez zdefiniowanie przez operatora przebiegu linii, krawędzi oraz węzłów łączących poszczególne elementy z zachowaniem topologii obiektu. Jest to typowe podejście wykorzystywane w systemach CAD. Automatyczne generowanie wektora za pomocą zbudowanego wcześniej modelu 3D daje zdecydowanie pełniejszą informację na temat powierzchni wypełniających szkielet kon- is much more useful in measuring tall buildings (usable range of up to 200 m) and furthermore its scanning path density can be set below 1 mm. On the other hand, the phasebased scanner, when used inside, is much better than the pulsed scanner. For comparison: the full range of scanning of the church interior (that is 360 by 270 degrees) with the pulsed scanner took about 120 min, whereas with the phase-based scanner 23 minutes, with much higher resolution. The phase-based scanner measures many more points within the same time. 2.1.5. Data registration The first, preliminary stage of data processing includes merging and mutual orientation of the scans acquired from separate stations that is data registration. And so, for the external and internal parts the registration with the use of targets, where the tie points were HDS targets (for both the pulsed scanner and for the phasebased), resulted with the mean error below 3 mm. It is worth noting, that the errors on individual targets reach the values at the level of the scanner measurement accuracy of about 2-3 mm. 2.1.6. Data processing vectorization and 3D modeling From the point of view of architectural studies, 3D models of objects as well as 2D vector drawings, most often generated in CAD systems, are more and more popular. The data obtained from laser scanning present the surface as a disorganized point cloud. However, they do not present an object as a structure with specific geometry. The 2D vector drawings and 3D models are used to visualize the structure. 2D vector drawing can be generated manually, semi-automatically or automatically. In the first two methods the operator draws a frame of the construction or individual architectural details by defining the lines, edges and points connecting individual elements, maintaining at the same time the topology of the object. This approach is typically used with CAD systems. Automatic generation of 2D vector drawings directly from built earlier 3D model, provides much more complete information about the surfaces filling in the frame of the construction [3]. Fig. 5a and b show four views of the structure of the church in Zukow generated with the use of this method. 676 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009
strukcji [3]. Rys. 5a i b przedstawia w czterech rzutach konstrukcję budynku kościoła w Żukowie wygenerowaną tą właśnie metodą. The most common methods of generating 3D models include: Rys. 5. a) widok budynku w czterech rzutach: z góry, z przodu, izometrycznie oraz z boku, b) widok krzyża na wieży kościoła Fig. 5. a) Four views of the building: top, front, isometric and right side b) view of the cross at the church tower top Meshing with the use of a network of triannajczęściej stosowanymi metodami generowagles with the accuracy and size depending on nia modeli 3D są: the number of points and complexity of an triangulacja (tzw. ang. meshing) wykorzystująobject. This method, however, is problematic ca siatkę trójkątów o dokładności i wielkości in the case of modeling shapes and irregular zależnej od liczby punktów oraz złożoności surfaces; obiektu, jednak ta metoda jest problematyczna Constructive Solid Geometry which uses simw przypadku modelowania kształtów i pople solids such as: cones, cuboids, cylinders, wierzchni nieregularnych; spheres, etc. This method provides a high level modelowanie za pomocą brył geometrycznych of generalization and requires subsequent veri(tzw. ang. Constructive Solid Geometry), wyfication of the operator. korzystujące znane figury takie jak: stożki, Fig. 6a and b show the model generated prostopadłościany, walce, kule itp. Metoda ta cechuje się wysokim stopniem generalizacji with the use of geometric solids. On the right oraz wymaga późniejszej weryfikacji ze strony (fig. 6b) you can see details of the cross on the church tower. The modeled fragments required operatora. Rysunek 6a i b przedstawia model wygenero- fitting the planes or solids defined by the prowany za pomocą brył geometrycznych, w części b gram into point clouds. The most problematic are the details rysunku widoczne with irregular są detale krzyża shape or comznajdującego się na plex structure wieży kościoła. Zasuch as: church modelowane fragtower, windows, menty wymagały details of decowpasowania chmurations, sculpry punktów w zdetures, figures, finiowane w proetc. gramie płaszczyzny The 3D model czy figury geomeof the church tryczne. Najbardziej problematyczne są Rys. 6. a) trójwymiarowy model kościoła w Żukowie, b) model krzyża na wieży kościoła was made on the Fig. 6. a) 3D model of the church in Żuków b) model of the church tower basis of the point elementy o nierecloud (17 million points) with the use of Cyclon gularnym kształcie lub o złożonej strukturze takich jak: wieża kościoła, okna, elementy ozdobne rzeź- 5.8 and Microstation CloudWorx software. by, figury itp. Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009 677
Trójwymiarowy model kościoła wykonany został na podstawie chmury punktów (17 mln punktów) z wykorzystaniem oprogramowania Cyclon 5.8 oraz Microstation CloudWorx. 3. Podsumowanie W artykule Autorzy poruszyli najważniejsze aspekty pozyskiwania oraz przetwarzania danych z naziemnego skanowania laserowego w celu uzyskania informacji o geometrii obiektu na przykładzie drewnianego kościoła w Żukowie. Celem publikacji było również porównanie dwóch różnych typów skanerów: fazowego i impulsowego oraz ich wykorzystania w tworzeniu dokumentacji architektonicznej. 3. Summary The authors of the paper presented the most important aspects of acqusition and data processing from the terrestrial laser scanner in order to achieve information about the geometry of an object based on example of the wooden church in Zukow. The objective of the paper was also to compare two different types of scanners: the phase-based scanner and the pulsed scanner as well as their practical use in developing architecture documentation. Literatura References [1] Cheng1 X.J., Jin W., Study on Reverse Engineering of Historical Architecture Based on 3D Laser Scanner, Department of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, China. [2] Monti C., Fregonese L., Achille C., Laser scanner application on complex shapes of architecture.profiles extraction processing and 3d modeling, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXIV-5/W10. [3] Pfeifer N., Dorninger P., Nothegger C., Surveying Structures and Buildings with Laser Scanning Future Areas of Application, Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, TUV. [4] Ullrich A., Studnicka N. et al., 3D-Laser-Sensors and their Applications in archaeology and Modeling of Historic Buildings, Workshop7 Archäologie und Computer, Vienna 2002. [5] Kędzierski M., Sanecki J., Walczykowski P., Fryśkowska A., Laser scanning of cultural heritage objects, Polish Journal of Environmental Studies, vol.17, 1C, 2008. Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, Polska Military University of Technology, Warsaw, Poland Streszczenie W przeciągu ostatnich lat zauważalny jest dynamiczny rozwój badań architektonicznych z wykorzystaniem naziemnego skanowania laserowego (TLS.) Uzyskane dane mogą być wykorzystywane do tworzenia trójwymiarowych modeli oraz rysunków wektorowych, szczególnie przy tworzeniu dokumentacji architektonicznej. Jest to bardzo ważne w przypadku rzeźb czy też konstrukcji sakralnych, kiedy potrzebna jest taka dokumentacja do rekonstrukcji lub odbudowy zniszczonych elementów. W artykule przedstawione jest wykorzystanie technologii naziemnego skanowania laserowego na przykładzie kościoła drewnianego w Żukowie. Artykuł prezentuje także próbę porównania dwóch rodzajów skanera: impulsowego (ScsanStation2) oraz fazowego (HDS6000). Abstract Recently, the use of terrestrial laser scanning has become more and more popular. Data acquired with the use of the terrestrial laser scanner can be used to generate 3D models and 2D vector drawings and especially, to create architecture documentation. It is very important in the case of sacred sculptures or buildings, when reconstruction of damaged elements or construction is needed. In this paper we present laser scanning of the wooden church in Zukow. We also make an attempt to compare two different types of scanners: the pulsed (ScanStation2) and the phase-based scanner (HDS 6000). 678 Wiadomości Konserwatorskie Conservation News 26/2009