Streszczenie:
Dokumentacja architektury sakralnej wymaga zastosowania nowoczesnych metod pomiarowych, które pozwalają na szybkie i dokładne odwzorowanie geometrii budynków. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki skaningu laserowego kościoła wykonanego przy użyciu mobilnego skanera FJD Trion S1 oraz pomiarów fotogrametrycznych wykonanych odbiornikiem GNSS Sanding Gemini T14 z wbudowaną kamerą. Obie technologie zostały ocenione pod względem dokładności, efektywności oraz przydatności w opracowaniu.
1. Wstęp
Dokumentacja architektury sakralnej odgrywa kluczową rolę w konserwacji, renowacji oraz analizie stanu technicznego budynków. Rozwój technologii geodezyjnych i fotogrametrycznych umożliwia pozyskanie precyzyjnych danych przestrzennych, które mogą być wykorzystane do tworzenia modeli 3D. W niniejszej pracy analizowane są dwie metody pozyskiwania danych w trybie mobilnym: skaning laserowy oraz naziemna fotogrametria.
2. Metodyka badań
2.1. Skaning laserowy
Skaning laserowy został przeprowadzony za pomocą FJD Trion S1, pracującego w trybie „z ręki”. Urządzenie umożliwia szybkie zbieranie chmur punktów, a mobilny charakter pomiaru pozwala na skrócenie czasu akwizycji danych. Do przetwarzania danych skorzystano z dedykowanego oprogramowania FJD Trion Model. Do poprawnej georeferencji danych założono 3 punkty osnowy pomiarowej w układzie państwowym. Każdy z punktów został zmierzony w 2 niezależnych inicjalizacjach.
Uzyskany błąd średni na poziomie 2 centymetrów wskazuje na prawidłowo wpasowany obiekt w układ państwowy.
2.2. Fotogrametria naziemna
Równolegle wykonano serię zdjęć fotogrametrycznych przy użyciu kamery wbudowanej w odbiornik GNSS Sanding Gemini T14. Fotografie zostały wykonane z uwzględnieniem pokrycia na poziomie 90% oraz domyślnych parametrów ekspozycji, co pozwoliło na rekonstrukcję modelu 3D. Odbiornik posiada funkcję przetwarzania zdjęć natychmiast po wykonaniu pomiaru fotogrametrycznego natomiast ze względu na złożoność oraz skomplikowanie obiektu obrazy wraz z nadanymi parametrami orientacji wewnętrznej przetworzono w oprogramowaniu 3DSurvey.
Po wykonaniu wstępnego przetwarzania obrazów otrzymano wynik na poziomie 0.70px. Co również jest istotne – kilkanaście zdjęć miało błąd powyżej 1px natomiast nie wpłynęło to znacznie na geometrię budynku.
Przed wykonaniem dalszych analiz włączono obie warstwy w celu wstępnej weryfikacji wizualnej otrzymanych modeli.
Na podstawie powyższych zdjęć można stwierdzić, że szczegóły budynku w obu metodach są odwzorowane prawidłowo.
3. Wyniki i analiza danych
Zarówno czas skanowania jak i wykonania zdjęć był bardzo krótki (trwał około 3 minut) a więc możemy uznać że obie metody pomiaru są proste i szybkie. Przed wykonaniem pomiaru współrzędnych szczegółów wykonano przekroje podłużne i poprzeczne w celu porównania szczegółowości chmur punktów.
Analizując powyższe przekroje można dojść do wniosku, iż metoda skaningu laserowego wierniej oddaje kształty i znacznie lepiej radzi sobie z elementami umieszczonymi we wnękach tj. okna, drzwi. co będzie przekładało się na dalsze analizy.
Przed dokonaniem porównania współrzędnych zwektoryzowano chmury punktów korzystając z oprogramowania FJD Trion Model Pro. Bazując na doświadczeniu zawodowym i znajomości wad obu metod linie były rysowane zgodnie z rzeczywistym stanem budynku.
Narożniki budynku, okien, wnęk rysowano pod kątem prostym mimo iż na chmurze były owalne. O wiele trudniej przebiegała wektoryzacja chmur z fotogrametrii gdyż geometria wnęk była bardzo zaburzona lub brakowało punktów dlatego też pozyskane pojedyncze zdjęcia dały możliwość przypomnienia kształtów.
Mając zwektoryzowane przekroje pomierzono współrzędne załamań i porównano wyniki. Wartości różnic współrzędnych przedstawiono na poniższych wizualizacjach.
Wizualizacja przekrojów
Dokumentacja architektury sakralnej – wyniki
4. Dyskusja
Wyniki wskazują na komplementarność obu technologii. Uzyskane różnice najczęściej osiągają wartość między 4-8cm. Zdarzają się wierzchołki z różnicami przekraczającymi 10cm we wnękach okien dlatego też ocena uzyskanych dokładności należy do Państwa.
Biorąc pod lupę wygląd modeli nie ma wątpliwości co do wyższości skaningu laserowego nad fotogrametrią. Pomijając lepiej odwzorowaną elewację mamy w pełni zeskanowany dach oraz wieżę kościoła z krzyżem mimo, że pomiar był wykonany z ziemi. Mamy również drugą stronę czyli ogrodzenie i drzewa na których się nie skupiano podczas pomiaru.
To co będzie przemawiać za odbiornikiem z kamerą fotogrametryczną to z pewnością aspekt ekonomiczny. Mimo wykorzystania oprogramowania 3DSurvey które do najtańszych nie należy to nadal cena zestawu z Gemini T14 jest znacząco niższa nawet od skanera FJD Trion P1. Dlatego też warto pod kątem wymaganych dokładności, skomplikowania i położenia obiektu zastanowić się czy nie wystarczającym rozwiązaniem będzie wykonać serię zdjęć gdzie można również wykonać więcej szeregów na różnych wysokościach aby pozyskać bardziej kompletny model.
5. Podsumowanie
Przeprowadzone badania pokazują, że mobilny skaning laserowy wierniej oddaje kształt budynku a różnice współrzędnych względem fotogrametrii wykazują zgodność na poziomie kilku centymetrów. W przyszłości planowane jest dalsze porównanie wyników na innych obszarach w oparciu o współrzędne zmierzone tachimetrem w nawiązaniu do osnowy państwowej.
Literatura
Podręczniki i monografie
- Błaszkiewicz, L. (2019). Skaning laserowy w geodezji i budownictwie. Wydawnictwo Naukowe PWN.
- Luhmann, T., Robson, S., Kyle, S., & Boehm, J. (2020). Close-range Photogrammetry and 3D Imaging. De Gruyter.
- Vosselman, G., Maas, H.-G. (2010). Airborne and Terrestrial Laser Scanning. Whittles Publishing.
Artykuły naukowe
- Remondino, F., & Campana, S. (2014). 3D Recording and Modelling in Archaeology and Cultural Heritage: Theory and Best Practices. Archaeopress.
- Luhmann, T. (2009). Precision potential of photogrammetry in architecture and cultural heritage recording. The Photogrammetric Record, 24(128), 417-440.
- Pesci, A., Teza, G., & Bonali, E. (2013). Terrestrial laser scanning and photogrammetry for the 3D survey of cultural heritage monuments. Journal of Cultural Heritage, 14(2), 94-99.
Dokumenty techniczne i normy
- ASPRS (2013). LAS Specification Version 1.4-R13. American Society for Photogrammetry and Remote Sensing.
- ISO 19115:2013. Geographic Information – Metadata. International Organization for Standardization.