Skaning laserowy, jako narzędzie do modelowania na przykładnie urządzenia Faro Focus 3D Autorzy: Rafał Antosz, Katarzyna Kościńska, Kinga Pięciak Opiekun naukowy: mgr inż. Monika Balawejder Wyższa Szkoła Inżynieryjno Ekonomiczna z siedzibą w Rzeszowie Koło Naukowe GEOTEAM 1. Streszczenie Nowoczesne technologie rozszerzają zakres pracy geodetów. Jedną z nich jest skaning laserowy. Szybki rozwój technologii i rosnące zapotrzebowanie w tej dziedzinie skłania do głębszego rozpoznania innowacyjnych technologii. Z wykorzystaniem skanera laserowego można dokonywać wiele pomiarów terenowych, określać dokładność położenia punktów, a nawet odkształcenia terenu czy budowli. Znalazł on zastosowania w wielu dziedzinach. Przykładowym a zarazem najczęściej spotykanym użyciem skanera laserowego jest modelowanie budynków. Można je wykonywać z dużą dokładnością. W celu wykonania modelu ścian zewnętrznych, czy to środka obiektu należy wykonać tylko prosty skan z wykorzystaniem odpowiedniego urządzenia. W pracy przedstawiona została najważniejsza problematyka wykonywania skaningu laserowego. Następnie opisano kolejność wykonywania pracy w celu uzyskania modelu wnętrza budynku. Projekt wykonany został przy użyciu skanera laserowego Faro Focus 3D. Efektem końcowym pracy było utworzenie wirtualnej prezentacji obiektu wybranego do pracy. 2. Wstęp Rozróżniamy wiele metod modelowania budowli. Najpowszechniejszą a zarazem najprężniej rozwijającą się w chwili obecnej jest to skaning laserowy. Szybkość wykonywanych pomiarów w połączeniu z dużą dokładnością znalazło wiele zastosowań. Możliwość wykonania cyfrowej wizualizacji wnętrza np. kościoła pozwala na późniejsze rekonstrukcje wnętrz. W sytuacji wykonywania modeli obiektów nowoczesnych może mieć to zastosowanie np. marketingowe. Skutkuje to stale rosnącym zainteresowaniem skaningiem laserowym. Projekty wykonywane tą metodą są bardzo dokładne. Można je uzyskać w bardzo krótkim czasie. Interesującym przykładem użyteczności skanera jest skaning zamku w Vaduz (UNESCO) lub ochrony zabytków takich jak prekolumbijskie petroglify, którym groziła zagłada na skutek erozji i rosnącego poziomu wód. Gęstość str. 1
punktów zapisywanych umożliwia niezwykle wyraźną rejestracje petroglifów z bardzo wysoką rozdzielczością. Na skanach można było dostrzec rysunki niewidoczne gołym okiem. Zastosowanie metody skaningu naziemnego zostało wykorzystana również w Polsce w trakcie budowy centrum handlowego Galeria Kaskada w Szczecinie. Rysunek 1. Skan prekolumbijskiego petroglifu W niniejszej pracy opisana została problematyka wykorzystania skanera laserowego. W tym celu wykorzystano urządzenie Faro Focus 3D. Za jego pomocą wykonano wizualizacje wnętrza auli Wyższej Szkoły Inżynieryjno - Ekonomicznej w Rzeszowie. Efekt oraz proces postępowania został przedstawiony w dalszym etapie pracy. 3. Rodzaje wykonywanych pomiarów laserowych oraz ich zastosowanie wraz z dokładnościami. Rozróżniamy wiele możliwości wykorzystania skaningu laserowego m.in.: skaning mobilny, lotniczy oraz naziemny. Wykorzystuje się go w zależności od rodzaju danych, jakie potrzebujemy uzyskać. Skaning naziemny wykonywany jest w celu wizualizacji wnętrz, wizualizacji pojedynczych obiektów. Pomiary uzyskane wykorzystuje się np. podczas badania odkształceń terenu lub budowli jak i inwentaryzacji architektonicznej. Wykonywany jest z ziemi. Wykonuje pomiar wszystkich elementów znajdujących się w zasięgu możliwości pomiarowej instrumentu. Skaning naziemny można porównać do pomiarów tachimetrycznych. Zasada wykonywania pomiaru jest taka sama. W połączeniu z GPS em można wykonywać pomiary w obowiązującym układzie odniesienia. Dokładność zależy od kolorystyki skanowanego obiektu. Znaczenie mają warunki atmosferyczne, do których należy dopasować typ parametrów w urządzeniu przed dokonaniem pomiarów. Poprawne zdefiniowanie szczegółowości pomiaru ma znaczenie na czas jego wykonania oraz gęstość chmury punktów uzyskanych. Poprzez występowanie efektu cienia (obiekt zasłania to, co jest za nim) konieczne jest wykonanie pomiarów z wielu stanowisk. Aby następnie połączyć je ze sobą należy zastosować odpowiednie znaki. Podczas prac kameralnych dokonuje się orientacji tych pomiarów względem siebie. Oznacza to połączenie ze sobą str. 2
chmury punktów uzyskanej z pomiarów z różnych stanowisk. Pojedyncze pomiary z różnych stanowisk tych samych obiektów można ze sobą łączyć z wykorzystaniem odpowiednich punktów dostosowania. Określają one te same miejsca na różnych skanach. Dzięki temu uzyskujemy widok tych samych obiektów z różnych stron oraz większy obszar skanowanego obszaru. 4. Budowa oraz zasada działania skanera laserowego Skaner laserowy jest zbudowany z mechanizmu obracającego instrument, wiązki laserowej oraz obracających się luster. Niektóre urządzenia dodatkowo wyposażone zostały w aparat dokonujący zdjęć skanowanego obszaru. Urządzenie pomiarowe obraca się w całym zakresie własnej osi. Horyzontalny obrót wynosi 360 0. Pomiar zenitalny wykonywany jest jednak w zakresie ok 305 0, wynika to z faktu, że nie jest w stanie zrobić pomiaru bezpośrednio pod sobą. Na rysunku 2 przedstawione zostały kąty skanowania. Uniemożliwia to konstrukcja. Mechanizmy obracające oraz lustra umożliwiają zobrazowanie niemalże całej przestrzeni w obrębie urządzenia. Zdjęcia uzyskane w trakcie pomiarów ułatwiają dalszą interpretacje pozyskanych materiałów. W przypadku skanera Faro Focus 3D urządzenie wykonuje 2 obroty. Połowa pierwszego obrotu jest to pozyskiwanie chmury punktów. Druga połowa pierwszego obrotu jest to pozyskiwanie zdjęć. Cały drugi obrót jest to kalibracja urządzenia. Rysunek 2. Kąty skanowania 5. Wykonywany projekt - opis prac terenowych Projekt został wykonany na terenie Wyższej Szkoły Inżynieryjno Ekonomicznej w Rzeszowie. Wykonano skany na 7 stanowiskach pomiarowych za pomocą urządzenia Faro Focus 3D. Do jego najważniejszych cech (Rys. 3) zaliczyć można: Cechy urządzenia Dokładność odległości Parametry +- 2 mm str. 3
Zasięg Szybkość pomiaru Masa Wbudowany aparat Zakres skanowania 0,6 m do 120 m do 976 000 punktów na sekundę 5 kg Fotorealistyczne kolorowe skany 3D w rozdzielczości do 70 megapikseli z kolorową nakładką bez błędu paralaksy 305 o /360 o Rysunek 3. Parametry urządzenia Faro Focus 3D. Pierwsze 3 stanowiska pomiarowe znajdowały się na terenie auli WSiE. Prace przygotowawcze polegały na ustawieniu punktów pomiarowych tarcz i kul, które posłużyły do późniejszej orientacji skanów. Kule ustawione zostały w miejscach dobrze widocznych i na tle o dobrym kontraście do ich barwy. W miejscach miej dostępnych kule przymocowane zostały za pomocą magnesów lub dzięki statywowi ustawione na odpowiednią wysokość. Drugi znak pomiarowy tarcze, dzięki możliwości umieszczenia go na obiektach wyposażenia umożliwiał wiele opcji usytuowania np.: na ścianach, drzwiach itp., więcej punktów pomiarowych pozwalało na większą dokładność wpasowania w późniejszych pracach kameralnych. Ważnym wymogiem przy rozmieszczaniu punktów orientacji jest konieczność widoczności niektórych z nich (przynajmniej jednego) z sąsiedniego stanowiska, co jest wymogiem do połączenia skanów. Kolejnym etapem prac było przygotowanie urządzenia do wykonania pomiarów. Należy umieścić instrument na statywie. Następnie wkładamy do urządzenia baterie oraz kartę pamięci, po tych czynnościach instrument jest gotowy do pracy. Po włączeniu skanera laserowego pojawia się ekran główny oraz menu, po którym poruszamy się za pomocą ekranu dotykowego. Oprogramowanie jest w języku polskim, co całkowicie ułatwiło pracę ze sprzętem. Przed rozpoczęciem pomiaru należało ustawić parametry skanera, które najbardziej odpowiadały do skanowania naszego obiektu. Po założeniu folderu, do którego będą zapisywane wszystkie skany dopasowujemy profil pomiaru. Profile mają zdefiniowane pewne podstawowe ustawienia odnośnie wykonania skanowania, są to: rozdzielczość, rozmiar skanu, kąty skanowania, opcje wykonania zdjęć, jakość, czas skanowania, odległość bezpieczna dla oczu oraz użycie dodatkowych str. 4
kompensatorów. W pracy wykorzystano profil, który charakteryzował się czasem pomiaru 9:06 min (potocznie nazywany 10 minutowym ) podczas, którego można uzyskać chmurę o wielkości 43,7 milionów punktów. Reszta ustawień jest dopasowana dla danego typu obiektów skanowanych. Czas skanowania Wielkość skanowania Liczba punktów (w mln) Odległości między punktami Rysunek 4. Ekran ustawień rozdzielczości i jakości skanowania Następnym etapem było wykonanie pomiaru. Rozpoczęto je od wciśnięcia start scan w menu głównym. Instrument informuje nas o rozpoczęciu pomiaru poprzez czerwone sygnały świetlne i sygnały dźwiękowe. W trakcie pomiaru należy pamiętać o bezpiecznej odległości tak, aby wiązka lasera nie uszkodziła naszych oczu oraz o włożeniu okularów ochronnych. Należało pamiętać o wcześniejszym przygotowaniu obiektu, aby na czas pomiaru w miejscach skanowanych nie pojawiały się osoby trzecie, które jeśli ulegną zeskanowaniu wprowadzają szumy i zakłócenia w chmurze punktów oraz pojawiają się na zdjęciach. Urządzenie wykonuje jednocześnie zdjęcia z obu stron skanera, dlatego wykonanie połowy obrotu wystarcza do zapisania odpowiedniej liczby obrazów (85). Oprogramowanie wbudowane w Faro Focus 3D łączy wszystkie zdjęcia. Po środku pojawia się linia, co wynika z faktu połączenia fotografii. Po wykonaniu pomiaru pierwsze wstępne efekty możemy obejrzeć na ekranie skanera gdzie wyświetla nam się fotografia wykonana na stanowisku pomiarowym. Umożliwia to wychwycenie błędów np.: zasłonięte punkty orientacji, w tym przypadku możemy powtórzyć pomiar i uzyskać poprawne skany. Na kolejnych stanowiskach został wykonany pomiar analogicznie jak na stanowisku pierwszym. Ważne jest, aby pamiętać o prawidłowym rozmieszczeniu punktów dostosowania łączących skany. str. 5
Kolejne stanowiska pomiarowe znajdowały się na korytarzach w budynku A Wyższej Szkoły Inżynieryjno Ekonomicznej. Ich wydłużone, wąskie kształty utrudniały umieszczenie znaków pomiarowych, tarcze znajdujące się na ścianach były umieszczone pod bardzo małym kątem w stosunku do skanera, co powodowało późniejsze problemy z dokładnością odczytania ich przez oprogramowanie. Ważne było także dobre oświetlenie, ponieważ korytarze nie posiadają okien a znaki pomiarowe muszą być dobrze widoczne. Wykorzystano 2 rodzaje znaków pomiarowych. Były to kule oraz tarcze. Skaner różnie rozpoznaje takie obiekty. Stosuje się je w zależności od odległości od stanowiska pomiarowego. Znaki pomiarowe należy umieszczać tak, aby były one widoczne ze wszystkich stanowisk pomiarowych. W sytuacji, gdy są one zasłonięte to nie możemy z nich skorzystać. Znaki takie wykorzystuje się do wykonania orientacji względem siebie stanowisk pomiarowych. 6. Prace kameralne Prace kameralne należy rozpocząć od przesłania plików z urządzenia do pamięci komputera. Po uruchomieniu oprogramowania Faro SCENE w wersji 5.0.1.28807 należy wczytać dane. Po wykonaniu tego w lewym pasku narzędziowym wyświetlą się wszystkie wczytane obiekty posiadające taką samą nazwę jak wprowadziliśmy do urządzenia przed pomiarem. Zielony kwadracik obok nazwy wskazuje, że obiekt jest już gotowy do wyświetlenia. Wykonując wszelkie czynności w programie należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na obiekt. Z rozwiniętego menu wybieramy odpowiednią czynność. Na początku określamy zależności pomiędzy zdjęciami. Należy ustalić, który obiekt jest skanem stałym, a które skanem odniesienia. Po wykonaniu tego w pasku narzędziowym obok nazwy widać chmurkę z czerwonym (skan stały) lub niebieskim (skan odniesienia) kluczem. Dla programu oznacza to, że skan stały jest nie do ruszenia. Gdy nie określimy relacji skany zostaną odpowiednio przesunięte oraz obrócone tak, aby wpasować je do obrazu pierwotnego. Skan odniesienia jest pierwszym i najważniejszym skanem, do którego dołączane są pozostałe obiekty. W pracy można określić tylko jeden skan stały. W celu wykonania orientacji skanów należy wyświetlić zeskanowany obiekt w widoku płaszczyznowym. Następnie z górnego paska narzędziowego wybieramy Zaznacz docelowy obszar płaski okrągły, aby wskazać wszystkie kule pomiarowe. W celu wskazania tarczy pomiarowych wybieramy Oznacz szachownicę docelową. Następnie str. 6
wskazujemy obiekt i przypisujemy mu indywidualną nazwę. Najważniejsze pozycje to określenie dokładności. Obok znajduje się światełko kropka czerwona, która oznacza, że nie można wykorzystać obiektu, ponieważ jest zbyt duża odległość od stanowiska pomiarowego. Żółta pozwala warunkowo skorzystać z obiektu pomiarowego. Należy się liczyć jednak, że podczas orientacji może nastąpić widoczne przesunięcie pomiędzy dwoma niezależnymi stanowiskami pomiarowymi. Zielony kolor określa największą dokładność pomiarową. Wskazywanie obiektów wykonano na wszystkich skanach. Podczas pracy na tym etapie można przypisać odpowiednie współrzędne punktów. Dzięki temu w efekcie końcowym pracy uzyskujemy obiekt wpasowany bezpośrednio w aktualnie obowiązujący układ współrzędnych. Program ma możliwość automatycznego rozpoznawania punktów dostosowania. Funkcja ta nie została wykorzystana w niniejszych badaniach. Po wskazaniu wszystkich obiektów należy przeliczyć współrzędne chmur punktów wszystkich zeskanowanych obiektów. Program automatycznie dopasowuje sobie wszystkie obiekty dostosowania. W następnej zakładce, wyniki skanowania, można wejść w tryb widoku podobieństw, na którym można zobaczyć czy program prawidłowo dokonał orientacji. W tym widoku każdy kolor przedstawia chmurę punktów uzyskaną z innego stanowiska pomiarowego. Przesuwając pojedyncze skany widać czerwone linie łączące między sobą punkty dopasowania. Na tej podstawie można określić prawidłowość ich doboru. Po zaakceptowaniu tej czynności wszystkie skany zostaną odpowiednio zorientowane względem siebie. Obok nazw wszystkich skanów widać ich dokładność i przesunięcie względem siebie. Wartości te podawane są w metrach. W ostatniej zakładce naciągi odniesień wyczytać można dokładności pomiędzy poszczególnymi punktami skanowania. W każdej kolumnie widać nazwę punktu, dokładność oraz pomiędzy jakimi skanami zachodzi ta zależność. Na tej podstawie łatwo i szybko można znaleźć błędnie dobrane punkty dostosowania oraz te cechujące się wysoką dokładnością. W tej zakładce znajduje się również statystyka ważona. Zawiera ona informacje odnośnie błędów średnich, minimalnych, maksymalnych oraz odchylenia. Obraz domyślnie wyświetlany jest w skali odcieni szarości. Na tym etapie pracy zostały wykorzystane zdjęcia pozyskane podczas wykonywania pomiarów. Program automatycznie nałoży na chmurę punktów wszystkie zdjęcia pozyskane podczas wykonywania pomiarów. Każdy pojedynczy skan zawiera 85 zdjęć. str. 7
Ostatnim etapem prac jest wyświetlenie efektu pomiarów. W celu wyświetlenia całego obiektu należy w menu wybrać wyświetl widok 3D. Program wyświetli domyślnie obszar z zewnątrz. Chcąc zobaczyć wyniki prac, czyli wnętrze obiektu, należy zmienić widok. Wybierając polecenie zarządzaj punktami widoku, w nowo otworzonym oknie wybieramy początek. Program automatycznie ustawi się w centrum pierwszego stanowiska pomiarowego. Kolejnym narzędziem, możemy przenieść kamerę do punktu 3D, można wskazać następne stanowiska gdzie można ustawić kamerę. Wybierając funkcje spacer uzyskujemy możliwość chodzenia kursorami klawiatury komputera po obiekcie. 7. Podsumowanie Na postawie wykonanych badań można wyciągnąć wnioski: Wykonywanie modeli przestrzennych z wykorzystaniem technologii skaningu laserowego pomieszczeń jest dużo sprawniejsze w porównaniu do np. klasycznego modelowania 3D. Wykonany pomiar cechuje się dużą dokładnością. Można ją wstępnie ustawić, prawidłowo ustalając rozdzielczość oraz jakość skanowania. Docelowo można ją zmienić w czasie przetwarzania materiałów poprzez usunięcie części punktów. Skaner wykonuje zdjęcia obiektów. Ułatwia to dalsze opracowanie materiałów. Podczas wykonywania pomiarów w obszarze skanowania nie mogą znajdować się osoby. Powoduje to zakłócenia podczas pomiaru. Dobierając stanowiska pomiarowe należy zwrócić uwagę, aby były widoczne punkty, które zostaną wykorzystane do dokonania orientacji. Przez szkło przechodzi wiązka pomiarowa. Punkty takie należy usunąć. Nie można umieszczać tarcz pomiarowych na oknie. Program nie rozpoznaje ich, ponieważ jest zbyt mały kontrast. Tarcza pomiarowa musi być pod kątem zbliżonym do kąta prostego względem skanera. W innym przypadku nie zostanie ona rozpoznana. Wybór 10 minutowego skanowania okazał się wystarczający do mierzonego obiektu i cechuje się dużą dokładnością (elementy wnętrza nie zostały bardzo zniekształcone, zachowane linie proste) Praca ze skanerem jest intuicyjna i po pierwszym dniu pracy ze sprzętem można poznać jego funkcje i bez problemu posługiwać się nim w przyszłości. str. 8
8. Literatura www.pointcab-software.com/en/what-correct-resolution-my-project z dnia 7 marca 2013 http://www.youtube.com/playlist?list=pl106990c972ed8232 z dnia 7 marca 2013 Jankowicz B., Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii, Zastosowanie metody teledetekcyjnych w tworzeniu katastru 3D na przykładzie Bawarii Mitka B., Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Kraków 2007, Możliwości zastosowania naziemnych skanerów laserowych w procesie dokumentacji i modelowania obiektów zabytkowych Mierzwa W. Rzonca A., Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Wrocław 2003, Skanowanie powierzchni, jako nowa metoda rejestracji i interpretacji szczegółów architektonicznych Pyka K. Rzonca A. Zakład Fotogrametrii i informatyki Teledetekcyjnej AGH, Kraków 2006, Badanie, jakości radiometrycznej ortofotogramów sporządzonych na drodze integracji fotogrametrii bliskiego zasięgu i skaningu laserowego Rzonca A. Zakład Fotogrametrii i informatyki Teledetekcyjnej AGH, Kraków 2004, Współczesne metody kompleksowej inwentaryzacji zabytków na przykładzie parafialnego kościoła w Michalicach Borowiec N., Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Wrocław 2010, Budowa modelu budynków na podstawie danych ewidencji gruntów i budynków oraz z lotniczego skaningu laserowego str. 9