Katarina PUKANSKÁ1, Karol BARTOŠ2, Ľubomír KSEŇÁK3
Peter HANČIN4, Peter BLIŠŤAN5, Marcin GIL6, Paweł FRĄCKIEWICZ7
INWENTARYZACJA HISTORYCZNEGO BUDYNKU KOLEJKI LINOWEJ TATRZAŃSKA ŁOMNICA–SZCZYRBSKIE JEZIORO
METODĄ NAZIEMNEGO SKANINGU LASEROWEGO
1. WSTĘP
W zadaniach geodezyjnej inwentaryzacji obiektów budowlanych stosowanie klasycznych metod pomiarowych jest bardzo ograniczone, a zupełnie nie sprawdza się w przypadku dużej kubatury, złożonej konstrukcji obiektu, a przede wszystkim coraz większych oczekiwań dotyczących szczegółowości i dokładności przestrzen- nego modelu. Stosowane dotychczas w takich zadaniach metody fotogrametryczne są obecnie wypierane przez metody bezkontaktowe bazujące na technice skanowa- nia laserowego. Zaletami tej technologii są wysoka dokładność, bezpieczeństwo pomiaru oraz możliwość efektownej prezentacji modeli 3D poprzez nałożenie tek- stury odwzorowującej rzeczywiste barwy.
Badawcze problemy technologii naziemnego skanowania laserowego skoncen- trowane są na optymalizacji sposobów rejestracji danych, wyborze liczby i lokali- zacji stanowisk skanera oraz metodach prezentacji wyników. Zakres zastosowania skanerów, możliwości i ograniczenia technologii skanowania z uwagi na różnorod- ność uwarunkowań i rodzajów obiektów są zadaniami, których rozwiązanie jest wciąż optymalizowane na podstawie bieżących doświadczeń.
1 dr hab. inż. Katarina Pukanská, prof. PŚk – Politechnika Świętokrzyska, aleja Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, PL; Katarína Pukanská, assoc. prof., PhD. – Technical University of Košice, Park Komenského 19, 04001 Košice, SK.
2 Karol Bartoš, Ph.D. – Technical University of Košice, Park Komenského 19, 04001 Košice, SK.
3 Ľubomír Kseňák, M.Sc. – Technical University of Košice, Park Komenského 19, 04001 Košice, SK.
4 Peter Hančin, M.Sc. – Technical University of Košice, Park Komenského 19, 04001 Košice, SK.
5 dr hab. inż. Peter Blištan, prof. PŚk – Politechnika Świętokrzyska, aleja Tysiąclecia Państwa Pol- skiego 7, 25-314 Kielce, PL; Peter Blišťan, assoc. prof., Ph.D., MBA – Technical University of Košice, Park Komenského 19, 04001 Košice, SK.
6 mgr inż. Marcin Gil – Politechnika Świętokrzyska, aleja Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, PL.
7 mgr inż. Paweł Frąckiewicz – Politechnika Świętokrzyska, aleja Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, PL.
2. CHARAKTERYSTYKA BADANEGO OBIEKTU
Budowę kolejki linowej Tatrzańska Łomnica–Szczyrbskie Jezioro rozpoczęto w latach 20. XX wieku. Początkowo kolejka wahadłowa składała się z dwóch wa- goników przewożących 31 osób. Trasa składała się z dwóch odcinków: pierwszy, o długości 4,14 km, biegł od stacji Tatrzańska Łomnica przez stację Start do stacji Łomnicki Staw, został oddany do użytku w grudniu 1937 roku, drugi odcinek, o długości 1,87 km, który biegł na trasie Łomnicki Staw–szczyt Łomnicy, oddano do użytku w październiku 1940 roku. Kolejka umożliwiła wybudowanie obserwa- torium meteorologicznego na szczycie Łomnicy [2, 3, 13].
Na przełomie lat 60. i 70., reagując na zwiększony ruch narciarski, wybudowa- no drugą kolejkę. Dolną stację nowej kolejki przeniesiono na południowy zachód, a od stacji Start obie trasy przebiegały równolegle. W latach 80. i 90. wykonano remont kolejek, ponieważ stara kolejka obsługiwała jedynie 78 osób/godz., a nowa 900, profil starej kolejki zamieniono na towarowy, a w 1999 roku kolejkę wycofa- no z ruchu [1–3, 13].
Obiektem prezentowanych badań jest najniżej położona stacja pierwszej kolejki linowej (rys. 1). Obiekt ten został zaprojektowany przez słowackiego architekta Dušana Samuela Jurkoviča, a wykonany przez Františka Wiesnera. Obecnie budy- nek ma status obiektu zabytkowego, wyróżnia się bowiem wyjątkowymi walorami techniczno-architektonicznymi.
Rys. 1. Lokalizacja badanego obiektu. Widok zabytkowego budynku kolejki linowej w Tatrzańskiej Łomnicy
Niektóre fragmenty obiektu wymagają rekonstrukcji. Jest to konieczne dla rea- lizacji planu utworzenia muzeum kolejki linowej. W odtworzeniu stanu pierwotne- go istotną przeszkodę stanowi brak opracowania technicznego, projektu budowla- nego [1–13]. Warunkiem rekonstrukcji brakujących elementów jest sporządzenie dokładnego modelu przestrzennego istniejącej konstrukcji i otoczenia. Dla wyko- nania tego zadania najlepsza wydaje się technologia skanowania laserowego.
3. NAZIEMNY SKANING LASEROWY
Naziemny skaning laserowy (Terrestrial Laser Scanning) jest bezkontaktową metodą przestrzennego pomiaru obiektów. Pozwala na przestrzenne określenie współrzędnych, modelowanie 3D, wizualizację złożonych budynków, konstrukcji, wnętrz, podziemnych struktur i przestrzeni. Jest metodą dokładną, szybką, kom- pleksową i bezpieczną [6, 9, 10]. Stosuje się ją w wielu dziedzinach, np. w geolo- gii, budownictwie, górnictwie, przemyśle, archeologii itp. [5]. Jako narzędzie po- miarowe skaning laserowy (TLS) wyróżnia się możliwością pozyskiwania wielo- milionowych chmur punktów o określonych współrzędnych X, Y, Z. Zbiory są tak gęste, że w ocenie wizualnej tworzą powierzchnię quasi-ciągłą. Skanery są łatwe w użyciu, dokładne i szybkie, co sprawia, że stają się niezastąpione w praktyce geodezyjnej. Krótki czas pomiaru pozwala na zmniejszenie kosztów pracy w tere- nie i zwiększa efektywność pomiaru [4].
Metoda naziemnego skaningu laserowego jest efektywną techniką, lecz niepo- zbawioną wad. Główną z nich jest zapis przypadkowych pikiet. Punkty takie wy- magają filtracji, co jest pracochłonne, a tylko częściowo daje się zautomatyzować za pomocą odpowiednich algorytmów. Często stosowaną alternatywą jest „ręczna”
filtracja danych [11].
Zaletą technologii skanowania jest możliwość uzyskania barwnego modelu 3D odwzorowującego rzeczywistość. W przypadku modeli obiektów zabytkowych nało- żenie tekstury ma znaczenie szczególne, jest nie tylko estetycznym zabiegiem [12].
4. PRACE TERENOWE
Skanowanie obiektu wykonano panoramicznym, impulsowym skanerem Leica ScanStation C10 (rys. 2), którego parametry techniczne podano w tabeli 1. Skaner jest wyposażony w system skanowania bazujący na systemie Time-of-Flight (ToF), mierzący odległość w oparciu o czas przejścia emitowanego sygnału. Systemy TLS emitują intensywną monochromatyczną i spójną wiązkę laserową [9].
Rys. 2. Skaner Leica ScanStation C10 w czasie pomiarów na terenie stacji zabytkowej kolejki linowej
Tabela 1. Parametry techniczne Leica ScanStation C10
Technical specification of the laser scanner Accuracy of single measurement
Position/Distance 6 mm/4 mm
Angle precision
Horizontal/Vertical 12ʹʹ / 12ʹʹ
Modeled surface precision 2 mm
Range 300 m @ 90%; 134 m @ 18%
Minimal step of scanning 1 mm
Scan rate 50 000/sec.
Laser class 3R, green (λ = 532 nm)
Spot size 0–50 m ≈ 4,5 mm
Field of view. Vertical/Horizontal 270°/360°
Pomiar został wykonany w listopadzie 2016 roku z punktów sieci geodezyjnej założonej przy uwzględnieniu lokalnych warunków terenowych. Pomiar przepro- wadzono w układzie współrzędnych S-JTSK z 55 stanowisk. Dziewięć stanowisk znajdowało się na zewnątrz budynku, a 46 we wnętrzu obiektu. Nawiązanie do państwowego układu współrzędnych przeprowadzono w oparciu o punkty 5002–
5005, których współrzędne wyznaczono metodą szybką statyczną GNSS za pomo- cą instrumentu Leica GPS 900Cs. Średni błąd współrzędnych poziomych wyniósł 1,8 cm, a średni błąd wysokości 2,5 cm w punktach sieci od 5001 do 5005. Pozo- stałe stanowiska (od 6001 do 6005, 7003) wyznaczono za pomocą pomiaru tachi- metrycznego w nawiązaniu do punktów osnowy GNSS (rys. 3).
Rys. 3. Punkty osnowy pomiarowej: punkty czerwone – osnowa GNSS, punkty czarne – osnowa tachimetryczna. Niebieskie strzałki oznaczają kierunek nawiązania sieci
Pomiar szczegółów budynku kolei linowej przeprowadzono skanerem Leica ScanStation C10. W pomiarach wykorzystano system HDS, który eliminuje błędy centrowania skanera nad punktami osnowy. Stanowiska skanera wybierano dowol- nie, kierując się zachowaniem prawidłowej geometrii wizur, a w szczególności ograniczeniu celowych skośnych. Tarcze celownicze Leica HDS 6´´umożliwiają dokładne wpasowanie skanów w dowolny zewnętrzny układ współrzędnych. Po- miar współrzędnych płytek znaków wykonano na podstawie wielokrotnych powtó- rzeń [3]. Łącznie pomierzono 55,3 mln punktów przy rozdzielczości 2–5 cm.
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Wykonany w systemie Leica Cyclone 7.3.1 pierwszy etap post-processingu obejmował import danych oraz filtrację punktów. Filtrację częściowo przeprowa- dzono ręcznie. Następnie chmurę punktów wygenerowano w formacie *.txt i *.pts, tworząc rysunki elewacji, rzutów poziomych i przekrojów pionowych budynku.
Sporządzono rzut dachu oraz lokalizację na projekcie zagospodarowania w środo- wisku programistycznym Microstation Bentley V8i; łącznie przygotowano 15 ry- sunków o formacie A1+, w tym 7 rzutów, 3 przekroje pionowe, 4 widoki ze- wnętrzne (elewacje) i projekt zagospodarowania budynku.
Pomiar wykonano w ciągu 3 dni, a wykonanie dokumentacji rysunkowej zajęło około 2 miesięcy. Opracowanie było wymagające, ponieważ budynek miał skom- plikowaną konstrukcję, a uwzględnić należało także złożoną konstrukcję kolejki z odniesieniami dotyczącymi materiału wykonania, wykończenia oraz poszycia budynku. Przykładowe rysunki opracowania zaprezentowano na rysunkach 4–7.
Rys. 4. Wizualizacja budynku kolejki opracowana w programie Lumen RT
Rys. 5. Elewacja frontowa budynku kolejki
Rys. 6. Rzut parteru i części wyciągu kolejki
Rys. 7. Przekrój pionowy budynku
6. WNIOSKI
Technologia naziemnego skaningu laserowego (TLS), upowszechniona w ostat- niej dekadzie jako efektywna metoda pozyskiwania danych przestrzennych, stano- wi obecnie standardową technikę inwentaryzacji obiektów kubaturowych wyko- nywanej dla potrzeb projektowania architektonicznego.
Główną zaletą technologii skanowania jest możliwość pozyskiwania bardzo du- żych liczebnie zbiorów danych przestrzennych. Wyróżnikami tych zbiorów są duża dokładność danych oraz krótki czas pomiaru. Na tle metod klasycznych obydwie te cechy są miarą wyjątkowej efektywności pomiaru.
W pomiarach obiektów o dużej kubaturze istotnym problemem jest przygoto- wanie odpowiedniej osnowy. W prezentowanym opracowaniu dobry efekt dokład- nościowy uzyskano dzięki zastosowaniu systemu HDS, wykorzystującego specjal- ne tarcze celownicze. Tarcze ustawiane na punktach osnowy pomiarowej wykorzy- stano podobnie jak w metodzie swobodnego stanowiska. Uzyskano dzięki temu możliwość optymalizowania pozycji skanera, co miało korzystny wpływ na czas pracy i pozwoliło ograniczyć liczbę niekorzystnych, skośnych celowych.
Skrócenie czasu pracy w terenie jest szczególnie widoczne na podanym przy- kładzie obiektu historycznego o złożonej strukturze i dużej liczbie detali architek- tonicznych. Należy jednak mieć na uwadze, że w technologii skanowania to post- processing, obejmujący opracowanie skanów i przygotowanie dokumentacji rysun- kowej, zajmuje ponad 90% czasu. W ostatecznym efekcie metoda skanowania okazuje się więc pracochłonna, ale podobny efekt nie jest osiągalny przy zastoso- waniu innych metod.
Wykonany pomiar i sporządzona na tej podstawie dokumentacja, częściowo pokazana w prezentowanym opracowaniu, potwierdzają wyjątkowe właściwości naziemnego skaningu laserowego. Technologia ta jest szczególnie przydatna przy sporządzeniu dokumentacji technicznej obiektów takich jak te w prezentowanym opracowaniu, a więc o znaczeniu historycznym i architektonicznym.
Acknowledgement: This work was supported by project SKHU/1601/4.1/187 and by the Scientific Grant Agency of the Slovak Republic (VEGA – MŠVVaŠ SR) through project. No.1/0844/18.
LITERATURA
[1] Bořutová-Debnárová D., Dušan Samo Jurkovičosobnosť a dielo, Pallas, Bratislava 1993, s. 170–172.
[2] Dulla M., Moravčíková H., Architektúra Slovenska v 20. storočí, Slovart, Bratislava 2002, s. 394–395.
[3] Dulla M., Slovenská architektúra od Jurkoviča po dnešok, Perfekt, Bratislava 2007, s. 143.
[4] Kašpar M., Pospíšil J., Štroner M., Křemen T., Tejkal M., Laserové skenovací systémyvestavebníctví, Vega s.r.o., Hradec Králové 2003, s. 111.
[5] Kraus K., Photogrammetry, Geometry from Images and Laser scans, 2nd ed., Walter de Gruyter, Berlin 2007, s. 457.
[6] Pavelka K., Fotogrametrie 3. Digitálne metódy a laserové skenovanie, ČVUT, Praha 2008, s. 190.
[7] Reshetyuk Y., Terrestrial laser scanning, Error sources, self-calibration and direct georeferencing, VDM Verlag Műller A.G., s. 161.
[8] Schulz T., Ingesand H., Terrestrial Laser Scanning-Investigations and Applications for High Precision Scanning, Conference FIG Working Week, 22–27 May 2004, Ateny.
[9] Štroner M., Pospíšil J., Terestrickéskenovací systémy. Českévy sokéučenítechnické, Praha 2008, s. 184.
[10] Štroner M., Pospíšil J., Koska B., Křemen T., Urban R., Smítka V., Třasák P., 3D skenovací systémy, ČVUT, Praha 2013, s. 394.
[11] Toś C., Wolski B., Zielina L., Inwentaryzacja obiektu geotechnicznego na przykładzie kopca im. J. Piłsudskiego w Krakowie, „Górnictwo i Geoinżynieria”, R. 32, z. 2, s. 297–305.
[12] Vatan M., Oğuz Selbesoğlu M., Bayram B., Wykorzystanie technologii skanowania 3D w konserwacji obiektów zabytkowych, „Wiadomości Konserwatorskie” 2009, 26.
[13] Zvarová Z., Údolná stanica visutejlanovejdráhy v Tatranskej Lomnici, „Pamiatky a muzea” 2018, r. 67, č. 2, s. 13–17.
