Porównanie geodezyjnych metod klasycznych oraz technologii HDS

Komentarze

Transkrypt

Porównanie geodezyjnych metod klasycznych oraz technologii HDS
NAUKA
SCIENCE
Bartłomiej Ćmielewski 
Krzysztof Mąkolski 
Porównanie geodezyjnych metod klasycznych
oraz technologii HDS do określenia odkształceń
kratowej konstrukcji masztu
Comparison of classic geodetic methods
and HDS technology for determination of strains
in truss construction mast
1. Wprowadzenie
1. Introduction
Rozwój sieci teleinformatycznych, a co za tym idzie
ich technologii, wpływa na coraz większe zapotrzebowanie na obiekty wysmukłe. Ze względu na niebezpieczeństwa, jakie wiążą się z deformacjami
takich konstrukcji, niezbędna jest stała kontrola ich
usytuowania [2,4]. Wyniki będące efektem pomiarów kontrolnych muszą być rzetelnym i pewnym
źródłem informacji o odchyłkach, aby móc stwierdzić wystąpienie stanu zagrożenia [1]. Od wyników
tych prac zależą w znacznej mierze działania podejmowane z użytkowaniem konstrukcji.
Realizacja tych prac może przebiegać przy
użyciu wielu metod i różnego sprzętu. Na podstawie pomiaru odchyłek usytuowania masztu porównano dokładności i skuteczności trzech metod.
Pierwsza – metoda tradycyjna, polegająca na pomiarze kierunków; druga – metoda zmodyfikowana, wykorzystująca bezlustrowy pomiar odległości
oraz trzecia – przy użyciu naziemnego skanera
laserowego. Pierwsze dwie wykonano przy użyciu
tachymetru elektronicznego, natomiast trzecia za
pomocą skanera laserowego 3D.
Development of telephone and informatics networks, and
what follows it, their technology, influences on more and
more bigger demand for tall objects. Due to the dangers
accompanying deformations of such constructions it is
necessary to keep control over the location thereof [2, 4].
The results obtained in supervisory measurements must
be a reliable and sure source of information about any
deviations, to enable us to find out the occurrence of the
state of endangerment [1]. The actions undertaken when
using such constructions depend to considerable extent
on the results of these works.
Realization of these works may be executed with
the use of many methods and various equipment.
Precision and effectiveness of three methods were
compared on the basis of measurement of deviations
of the location of the mast. The first – a traditional
method, consisting in measurement of directions; the
second – a method modified, using measurements of
distance without a reflector and the third – with the
use of a terrestrial laser scanner. Two first were
made with the use of electronic tachymeter, whereas
the third method with the use of a 3D laser scanner.
2. Opis obiektu badań
2. Description of the object of investigations
Przedmiot badań znajduje się w okolicy Wrocławia w rejonie Wzgórz Trzebnicko-Ostrzeszowskich (Kocie Góry). Maszt zbudowany jest z trój-
The object of investigations is situated in the
neighborhood of Wroclaw in the region of Trzebnicko-Ostrzeszowskie Hills (Kocie Góry). The mast
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
718
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Rys. 1. Widok ogólny obiektu badań
Fig 1. A general view of the mast
Rys. 2. Szkic osnowy pomiarowej masztu
Fig. 2. A sketch of a measurement network
kątnej kratownicy o boku 0,60 m, zmontowanej
z okrągłych rur o średnicy 30mm. Wysokość
masztu wynosi 60,0 m. Jest on zabezpieczony
czterema kompletami lin odciągowych, zawieszonymi odpowiednio na 12, 24, 42 oraz 60 metrze
konstrukcji (rys. 1).
3. Omówienie wyników obserwacji
osnowy pomiarowej
Osnowę pomiarową, stanowiącą podstawę dla określenia przestrzennego usytuowania masztu, stanowi 7 punktów, z których 6 rozmieszczonych zostało wokół masztu, a siódmy w pobliżu obiektu
w celu wzmocnienia konstrukcji tej osnowy. Szkic
osnowy pomiarowej przedstawiono na rys 2.
Pomiar osnowy, jak również i pomiary konstrukcji masztu zrealizowano tachymetrem elektronicznym firmy Leica TCRP 1203 o parametrach pomiarowych:
– powiększenie lunety: 30×,
– dokładność pomiaru kierunku: 3’’ – 10cc,
– dokładność pomiaru odległości z lustrem: 1mm
+ 1,5 mm/km,
– dokładność pomiaru odległości bez lustra: 2 mm
+ 2 mm/km
– zasięg na lustro: do 3000m,
– zasięg w pomiarze bezlustrowym: do 300m.
– zastosowany w pomiarze bezlustrowym laser
posiadał wiązkę o barwie czerwonej.
Czas wykonania pomiaru wynosił około 7 godzin. Po pomiarach terenowych obliczono osnowę
pomiarową w kilku różnych kombinacjach. Warianty te różniły się między sobą wyborem poszczególnych obserwacji oraz ich ilością. Celem
tego zabiegu było porównanie rezultatów uzyskanych dla sieci kątowej, sieci liniowej oraz kombinacji kątowo-liniowej (rys. 3). Dokładniejszym
rozwiązaniem okazało się użycie sieci liniowej.
Następnie przeprowadzono symulacje z zawężoną
is built from the triangular truss of the side length
0.60 m, assembled from round pipes of 30 mm in
diameter. The height of the mast is 60.0 m. It is
secured with four sets of stay ropes, attached respectively at the height of 12, 24, 42 and 60 meter
of its construction (fig. 1).
3. Discussion of the results of the
observation of the measurement matrix
The measurement matrix making up the basis for
determination of the spatial location of the mast consists of 7 points, out of which 6 were disposed around
the mast, and the seventh near the object in order to
make the construction of this matrix firmer. The draft
of the measuring matrix has been introduced in fig. 2.
The measurements of the matrix and the measurements of the construction of the mast were realized
with the use of electronic tachymeter of the firm Leica
TCRP 1203 having the following measuring parameters:
– magnification of the telescope: 30×,
– precision of the measurement of the direction:
3’’ – 10cc,
– precision of the measurement of distance with
a reflector: 1mm + 1.5 mm/km,
– precision of the measurement of distance without a reflector: 2mm + 2 mm/km
– range to the reflector: up to 3000 m,
– range in the measurement without a reflector:
up to 300 m.
– the laser applied in the measurement without
a reflector had the beam of red color.
The time of the realization of a measurement was
about 7 hours. The measuring matrix was calculated in
several different combinations after the field measurements had been accomplished. These variants differed
from each other in the choice of individual observations
and their number. The objective of such proceeding
was to compare the results obtained for angular network, for linear network and for a combination of an-
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
719
Sieć liniowa
Linear network
Sieć kątowa
Angular network
Sieć kątowo-liniowa
Linear-angular network
Rys. 3. Warianty rozwiązania osnowy
Fig. 3. Variant solutions for measurement network
ilością obserwacji, co mogłoby wynikać z możliwych, występujących w terenie przeszkód.
Oprócz wspomnianych wcześniej wariantów
rozwiązania osnowy pomiarowej, wykonano również obliczenia dla osnowy w kształcie rozety
(nie posiadającej przekątnych) oraz dla osnowy
w kształcie trójkąta (nie posiadającego punktu
centralnego).
Biorąc pod uwagę wszystkie przedstawione
warianty symulacyjne, widoczne jest, że dużo
dokładniejsze wyniki otrzymuje się w przypadku wykorzystania do obliczeń obserwacji
liniowych. Błędy położenia punktu wahają się
tu w zakresie od 0,2 mm do 0,4 mm (tab. 1).
Natomiast przy rozwiązaniu kątowym błędy
mieszczą się w między 0,6mm, a 1,0 mm
(tab. 1, tab. 2). Zestawiając wartości współrzędnych punktów osnowy, uzyskanych w poszczególnych wersjach, można stwierdzić, że
ich maksymalne różnice nie przekraczają 0,7 mm
(tab. 2).
gular-linear network. (fig. 3). The use of the linear
network turned out to be a more precise solution. Then
simulations were conducted with the restricted number
of observations, which might happen as the result of
possible obstacles occurring in the field.
In addition to the earlier mentioned variants of
solution of the measurement matrix, the calculations
were also made for the matrix in the shape of a rosette (not possessing diagonals) and for the matrix in
the shape of a triangle (without the central point).
Taking under consideration all the presented simulating variants, it becomes evident that a lot more
precise results are obtained in the case of using linear
observations to the calculations. Here the errors of the
bearings of a point oscillate within the range from
0.2 mm to 0.4 mm (table 1). However, errors for the
angular solution are within the range between 0.6 mm
and 1.0 mm (table 1, table 2). When comparing the
values of the co-ordinates of the points of the matrix
obtained in individual versions, one can state that their
maximum differences do not exceed 0.7 mm (table 2).
4. Pomiar odkształceń masztu
metodą trygonometryczną
4. Measurements of the strains
of the mast by the trigonometric method
Pomiary konstrukcji wykonano na pięciu poziomach – przy podstawie, na trzech poziomach pośrednich oraz na szczycie, celując na środek rury
konstrukcji masztu. Do pomiarów metodą trygonometryczną użyto tachymetru elektronicznego
firmy Leica TCRP1203. Oprócz obserwacji kierunków mierzono również odległości wykorzystując pomiar bezlustrowy. Po wykonaniu obserwacji
polowych obliczenie współrzędnych punktów
kontrolowanych konstrukcji masztu przeprowadzono również w kilku wariantach. W tym przypadku najlepsze wyniki uzyskano wykorzystując
do obliczeń tylko obserwacje kierunków ze
wszystkich punktów osnowy pomiarowej. Dla
sprawdzenia poprawności wyznaczania współrzędnych punktów kontrolowanych, w warunkach
ograniczonej dostępności do obiektu, wykonano obli-
Measurements of the construction were executed at
5 levels – near the base of the mast, at three intermediate levels and at the top, taking aim at the centre of
the mast construction pipe. For measurements by the
trigonometric method an electronic tachymeter of
the firm Leica TCRP1203 was used. In addition to
the observation of directions, the distances were also
measured using the measurement without reflector.
Having accomplished the observations in the field,
the calculation of the co-ordinates of the controlled
points of the mast construction were also calculated
in several variants. In this case the best results were
obtained by using to the calculations only the observations of directions from all the points of the measuring matrix. In order to prove the correctness of the
determination of co-ordinates of the points controlled, in the conditions of restricted accessibility to
720
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Tab. 1. Błędy położenia punktów osnowy w zależności od rozwiązania osnowy
Errors of location of network points for each measurement network solution
Obserwacje liniowe
Linear observations
Obserwacje kątowe
Angular observations
Obserwacje liniowo-kątowe
Linear-angular observations
mx
my
mp
mx
my
mp
mx
my
mp
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
2
0,2
0,1
0,2
1,0
0,8
1,3
0,2
0,2
0,3
3
0,2
0,2
0,3
1,3
0,8
1,5
0,2
0,2
0,3
4
0,2
0,3
0,4
0,2
1,1
1,1
0,2
0,3
0,4
5
0,2
0,2
0,3
1,2
0,6
1,3
0,2
0,1
0,2
6
0,2
0,1
0,2
1,0
0,9
1,4
0,3
0,1
0,3
Wartości średnie
Average values
0,2
0,2
0,3
0,9
0,8
1,3
0,2
0,1
0,3
Numer punktu
Point No
Tab. 2. Różnice współrzędnych uzyskanych pomiędzy poszczególnymi rozwiązaniami osnowy
Variation of coordinates obtained from individual measurement network solutions
Obserwacje liniowe
Linear observations
Obserwacje kątowe
Angular observations
Obserwacje liniowo-kątowe
Linear-angular observations
Numer
punktu
Point No
X
Y
X
Y
dx
dy
X
Y
dx
dy
[m]
[m]
[m]
[m]
[mm]
[mm]
[m]
[m]
[mm]
[mm]
2
129.1390
37.6931
129.1397
37.6926
0,70
0,50
129.1390
37.6931
0,00
0,00
3
208.9867
40.4602
208.9872
40.4605
0,50
0,30
208.9867
40.4602
0,00
0,00
4
222.4355
97.3992
222.4354
97.3981
0,10
1,10
222.4355
97.3990
0,00
0,20
5
191.0073
156.9385
191.0074
156.9379
0,10
0,60
191.0074
156.9385
0,10
0,00
6
128.3436
153.5445
128.3445
153.5449
0,90
0,40
128.3437
153.5445
0,10
0,00
0,46
0,58
0,04
0,04
Wartości średnie
Average values
gdzie dx, dy – różnice pomiędzy współrzędnymi z obserwacji liniowych a poszczególnych rozwiązań.
wherein: dx, dy – differences between the coordinates obtained from linear observations for individual solutions.
czenia współrzędnych. Wykorzystano w tym celu
obserwacje kierunków tylko z trzech wybranych
stanowisk oraz obserwacje odległości z trzech
innych punktów osnowy. Przeprowadzono też
obliczenia dla wcięć kątowo-liniowych zrealizowanych z dwóch stanowisk.
Z przeprowadzonych analiz wynika, że pomiar
metodą kierunkową (tab. 3) daje najlepsze rezultaty (0.9 mm  1,4 mm), dla porównania przy pomiarze bezlustrowym uzyskane błędy wahały się
od 3,3 mm do 3,9 mm. W przypadku gdy w terenie występują utrudnienia związane z właściwym
rozmieszczeniem osnowy pomiarowej poprawne
wyniki można także uzyskać z pomiaru biegunowego (1,3 mm  2,0 mm). Sposób ten można stosować przy wykonywaniu rektyfikacji [3] przestrzennego usytuowania obiektów wysmukłych.
Uzyskiwane wyniki dla innych obiektów będą
różne ze względu na specyfikę konstrukcji. Dla
obiektów zbudowanych z rur dokładność będzie
determinować średnica rury a w przypadku konstrukcji z kątowników identyfikacja krawędzi.
the object, the calculations of co-ordinates were
made. The observations of directions used in this
purpose were those taken from only three chosen
positions together with the observations of distance
from three other points of the matrix. Calculations
were also conducted for angular-linear intersections
realized from two measurement positions.
The results of the analyses that were carried
out show that measurement by direction method
(table 3) gives the best results (0.9 mm  1.4 mm);
compare this with the errors from 3.3 to 3.9 mm
that occurred for the measurement without a reflector. In the case when there occur difficulties in
correct positioning of the measurement matrix in
the field, one can also get correct results from the
polar measurement (from 1.3 mm to 2.0 mm). One
can use this way for executing an adjustment [3]
of the spatial location of tall objects.
The results obtained for different objects will be
different because of the specificity of the constructions. For the objects built from pipes the pipe diameter will determine precision and in the case of
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
721
Tab. 3. Zestawienie współrzędnych (X, Y) osi rur na poszczególnych poziomach wraz z ich błędami – pomiar metodą kierunkową
Coordinates (X,Y) of the axes of the pipes at individual levels with their errors – measurements using the direction method
Numer punktu
Point number
X wyr.
Y wyr.
mx
my
mp
1A
[m]
[m]
[mm]
[mm]
[mm]
164.0358
106.3311
0.8
0.7
1.1
1B
164.0612
105.7351
06
0.6
0.9
1C
164.5643
106.0584
0.8
0.6
1.0
2A
163.9777
106.2176
0.7
0.7
1.0
2B
164.0378
105.6218
0.6
0.7
1.0
2C
164.5217
105.9707
1.0
0.9
1.4
3A
163.9343
106.0885
0.7
0.7
1.0
3B
164.0185
105.4932
0.8
0.8
1.1
3C
164.4861
105.8621
0.9
0.7
1.1
4A
163.8668
105.9995
0.9
1.0
1.4
4B
163.9806
105.4112
0.8
0.8
1.1
4C
164.4325
105.8084
1.0
0.9
1.3
5A
163.8045
105.9194
0.8
0.6
1.0
5B
163.9341
105.3391
0.7
0.8
1.0
5C
164.3725
105.7372
0.8
0.8
1.2
0.8
0.8
1.1
Wartości przeciętne
Average values
Dla sprawdzenia poprawności uzyskanych wyników przeprowadzono analizę w oparciu o wzory (1, 2).
the construction made from angle sections the
identification of the edges will determine it.
The analysis was conducted to prove correctness of
the obtained results, on the basis of the formulae (1, 2).
M p = r  mp  R  P
gdzie: Mp – błąd graniczny wyznaczenia przemieszczenia,
P – graniczne przemieszczenie określone dla
danego obiektu w projekcie technicznym lub
w odpowiednich przepisach techniczno-eksploatacyjnych,
R – parametr określający jaką częścią granicznego przemieszczenia (P) może być błąd
graniczny jego wyznaczenia (Mp),
mp – błąd średni wyznaczenia przemieszczenia,
r – współczynnik, którego wartość zależy od
wymaganego prawdopodobieństwa poprawności wyników oraz od stopnia przypadkowości błędów pomiarów służących do wyznaczenia przemieszczenia.
wherein: Mp – the boundary error of determining the
dislocation,
P – the boundary dislocation as determined for
the given object in the technical design or in
respective technical – exploitation regulations,
R – the parameter defining what part of the
boundary dislocation of (P) can be the
boundary error of determining thereof (Mp),
mp – the average error of determining the
dislocation,
r – the coefficient whose value depends on the
required probability of correctness of the re
sults and on the extent of randomness of the
errors of measurements used to determine the
dislocation.
a ≤ h/1000
gdzie: a – dopuszczalne wychylenie masztu (przemieszczenie graniczne),
h – wysokość masztu.
Przyjmując rzeczywistą wysokość masztu:
h = 60,00 m, a parametr R = 0,1 oraz zakładając
duże prawdopodobieństwo poprawności uzyskanych wyników, na poziomie ufności P = 0,997 (parametr r = 3), otrzymamy wartość błędu średniego
wyznaczenia przemieszczenia równą 1,8 mm. Ana722
(1)
(2)
wherein:a – admissible deflection of the mast (boundary dislocation),
h – the height of the mast.
Accepting the actual height of the mast: h =
60.00 m, and the parameter R = 0.1 and assuming
large probability of correctness of the results obtained, at the level of confidence P = 0.997 (parameter r = 3), the obtained value of the average
error of determining the dislocation will be 1.8 mm.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
lizując uzyskane wyniki z poszczególnych wariantów można stwierdzić, że kryterium dokładnościowe
jest spełnione tylko w przypadku metody pomiaru
kierunków. W przypadku kombinacji kątowo-liniowej oraz pomiarów liniowych uzyskane błędy dwukrotnie przekraczały zakładane dokładności. Wynika
z tego, że w przypadkach wystąpienia dużych trudności w poprawnym założeniu osnowy pomiarowej
można wykorzystać, w prowadzonych obserwacjach
obiektów wysmukłych, również i pomiary odległości wykonane sposobem bezlustrowym.
By analyzing the obtained results from the individual variants one can state that the criterion of
accuracy is met only in the case of the method
of direction measurement. In the case of the
angular-linear combination and linear measurement the obtained errors twofold exceeded the
set precision. Due to this, if there occur large
difficulties in the correct establishing the measuring matrix, one can also use the distance
measurements made without a reflector in the
observations of tall objects.
5. Pomiar odkształceń masztu
przy użyciu naziemnego skanera
laserowego
5. Measurement of strains
of the mast with the use
of the terrestrial laser scanner
Maszt pomierzono również za pomocą naziemnego The mast was also measured using the terrestrial
skanera laserowego ScanStation (rys. 4), charaktery- laser scanner ScanStation (fig. 4), which features
zującego się następującymi danymi technicznymi:
the following technical parameters:
– dokładność pomiaru kierunków: 60 mikrora– precision of the direction measurement: 60 midianów – 40cc,
croradian – 40cc,
– dokładność pomiaru odległości: 4 mm,
– precision of the distance measurement: 4 mm,
– dokładność pomiaru pojedynczego punktu w prze– precision of the measurement of a single point
strzeni trójwymiarowej: 6 mm,
in the three-dimensional space: 6 mm,
– wbudowany kompensator o rozdzielczości: 1”,
– built-in compensator of resolution: 1”,
– metoda pomiaru impulsowa wykorzystująca la– impulse laser method of measurement using
ser o widzialnej wiązce w kolorze zielonym,
a laser with the visible beam in green color,
– wielkość plamki lasera przy odległości 50m –
– the size of the spot of the laser beam at the dis5 mm,
tance 50 m – 5 mm,
– maksymalna zadana rozdzielczość skanowania
– maximum set resolution of scanning, horizonw poziomie i pionie: 1 mm,
tal and vertical: 1 mm,
– zakres pola widzenia skanera w pionie 270 sto– the range of the visual field of the scanner: verpni, w poziomie 360 stopni,
tical 270 degrees, horizontal 360 degrees,
– zasięg skanera: 300 m przy 90% albedo; 134 m
– -the range of the scanner: 300 m for albedo
przy 18% albedo.
90%; 134 m for albedo 18%.
Pomiary zrealizowano z trzech stanowisk przy
Measurements were carried out from three
założonej rozdzielczości na obiekcie 2mm w pła- positions at the set resolution on the object
szczyźnie poziomej oraz 4mm w płaszczyźnie pio- 2 mm in horizontal plane and 4 mm in vertical
nowej. Czas trwania sesji pomiarowej na jednym plane. The time of duration of the measuring
stanowisku wyniósł około 2 godzin. Pomierzo- session at one position was about 2 hours. About
no około 3 000 000
3,000,000 points were
punktów.
measured.
Opracowanie poThe results of field
miarów terenowych
measurements were
przeprowadzono stonumerically processed
sując oprogramowanie
with the use of software
firm Leica oraz Benof the firm Leica and
tley. Umożliwiły one
Bentley. This software
obliczenie odchyłek
made possible the calcuusytuowania oraz polation of the deviations of
zwoliły na przedstathe location and allowed
to present any dimenwienie dowolnych wysions and cross-sections
miarów i przekrojów
of the elements of conelementów konstrukcji
Rys. 4. Pomiary instrumentem Leica ScanStation
struction (fig. 5, 6).
(rys. 5, 6).
Fig. 4. Measurements with Leica ScanStation
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
723
Rys. 5. Chmura punktów przedstawiająca konstrukcję masztu
uzyskana z pomiaru skanerem laserowym Leica ScanStation
Fig. 5. A point cloud representing the mast construction achieved
by measurements with a laser scanner Leica ScanStation
Rys. 6. Wpasowanie rur konstrukcyjnych masztu w chmurę
punktów na wybranym poziomie
Fig. 6. Superposition of the construction pipes of the mast into
the point cloud at a chosen level
6. Porównanie wyników wychyleń
konstrukcji masztu
6. Comparison of the results
of deflection of the mast construction
W celu kontroli efektywności wykorzystanych
metod pomiarowych zestawiono wielkości odchyłek, które były bezpośrednim wynikiem
obliczeń przeprowadzonych na bazie współrzędnych punktów kontrolnych. Obliczeniom
podlegały zarówno deformacje osi masztu
w rzutach bocznych (rys. 7) jak i w rzucie
z góry (rys. 8). Ze względu na znikome wartości różnic wychyleń osiągniętych z obu metod
pomiaru – metodzie klasycznej – kierunkowej
jak i przy użyciu naziemnego skanera laserowego (rys. 7), przebieg osi konstrukcji zobrazowano na wykresie jedną linią. W przyjętej
skali różnice byłyby niewidoczne. Różnice
wartości wychyleń na poszczególnych poziomach wahają się od 1 mm do 8 mm. Spowodowane może być to złymi warunkami atmosferycznymi w dniu pomiarów (duża zmienność
kierunku wiatru oraz jego natężenia), a także
czasem trwania obserwacji. Wysoce przekracza
to obliczone wcześniej kryterium dokładnościowe (1,8 mm), jednak w stosunku do obliczonego dopuszczalnego wychylenia masztu
(a = 60 mm,) oraz uzyskanych z pomiarów
wartości przemieszczenia konstrukcji (rys. 7),
jest wartością niewielką.
Reasumując dane, otrzymane przy użyciu
naziemnego skanera laserowego, mogą więc z
powodzeniem być wykorzystane do podejmowania decyzji związanych z bieżącą eksploatacją obiektów wysmukłych oraz ich ewentualną
rektyfikacją.
In order to control the efficiency of the used
measuring methods the magnitude of the deviations which were a direct result of calculations
carried out on the basis of co-ordinates of control points have been set together. The calculations included both deformations of the axis of
the mast in end views (fig. 7) and in top view
(fig. 8). Because of the minimum values of differences in deflection found in both methods of
the measurement - the classic, direction method
– and the method with the use of a terrestrial
laser scanner, the course of the axis of the construction was pictured (fig. 7) on the graph with
one line. The differences would be invisible in
the applied scale. The differences of the values
of deflections at individual levels oscillate from
1 mm to 8 mm. This could have been caused by
bad weather condition on the day of measurements (large changeability of the direction and
the strength of the wind), and also by the time
of duration of the observation. This extremely
exceeds the calculated earlier accuracy criterion
(1.8 mm), however, in the relation to the calculated admissible deflection of the mast (a = 60 mm)
and the values of dislocation of construction
obtained from measurements (fig. 7), it is still
a little value.
Recapitulating, the data received with the use
of a terrestrial laser scanner can now be successfully used for making decisions connected with
the current exploitation of tall objects and their
possible adjustment.
724
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Level 5
Level 4
Level 3
Level 2
Level 1
the values of deflection obtained from geodetic measurements
the values of deflection obtained from laser scanning
Rys. 7. Odchylenia osi masztu – rzuty z boku od poszczególnych krawędzi masztu
Fig. 7. Side views of deflections of the axis of the mast
wartości odchyleń otrzymane z pomiarów geodezyjnych
the values of deflection obtained from geodetic measurements
wartości odchyleń otrzymane ze skaningu laserowego
the values of deflection obtained from laser scanning
Rys. 8. Odchylenia osi masztu – rzut z góry
Fig. 8. Deflections of the axis of the mast – a top view
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
725
7. Wnioski
7. Conclusions
1. Wykorzystując do obserwacji obiektów wysmukłych metodę przy użyciu naziemnego skanera laserowego otrzymujemy porównywalne
do metod geodezyjnych wartości wychyleń ich
konstrukcji
2. Stosując technologię HDS mamy możliwość
pozyskiwania informacji o całej konstrukcji, a
nie tylko o jej wybranych elementach zmierzonych metodami klasycznymi.
3. Wyniki pomiarów otrzymane przy użyciu naziemnego skanera laserowego są wystarczająco
dokładne dla podjęcia decyzji, co do dalszej eksploatacji badanych obiektów.
1. With the use of the method based on a terrestrial laser scanner the observation of tall objects
gives values of deflection of the construction of
the object comparable to obtained by geodetic
methods.
2. By applying the HDS technology we have the
possibility of obtaining information about the
whole construction, and not only about its chosen units as measured by classic methods.
3. The results of measurements received with the
use of the terrestrial laser scanner are sufficiently precise for making decisions concerning
further exploitation of the studied objects.
Literatura • References
[1] Jankowska B., Błąd wzoru na wyznaczanie przemieszczeń masztu 3-ściennego wg instrukcji ER-01,
Zeszyty Naukowe, Budownictwo, Politechnika Zielonogórska, 2001, z. 127 (35), s. 111-119.
[2] Wichtowski B., Geometria stalowych wież i masztów radiowo-telewizyjnych na podstawie inspekcji
okresowych, Budownictwo PN PS, 2002, nr 561/2002, s. 37-51.
[3] Wichtowski B., Rektyfikacja stalowych wież antenowych na podstawie inspekcji okresowych,
XXII Konferencja naukowo-techniczna, Szczecin – Międzyzdroje, 23 – 26 maja 2007, s. 665-672.
[4] Instrukcja ER – 01, Eksploatacja wież i masztów, Telekomunikacja Polska SA, Warszawa 1994.

Laboratorium Skanowania i Modelowania 3D, Politechnika Wrocławska, Wrocław, Polska
Laboratory of 3D Scanning and Modeling, Wrocław University of Technology, Wrocław, Poland

Instytut Geodezji i Geoinformatyki, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław, Polska
Institute of Geodesy and Geoinformatics, Wrocław University of Environmental and Life, Wrocław, Poland
Streszczenie
Abstract
Kratownicowa konstrukcja, taka jak maszt, ma
często skomplikowaną przestrzenną budowę. Istnieje kilka metod, by określić jej odchylenia i wypaczenia. Niniejszy artykuł przedstawia porównanie dokładności i efektywności wybranych metod
pomiaru. Odchylenie i wypaczenie przedstawionego obiektu zostały wyznaczone przy pomocy
metod z zastosowaniem elektronicznego tachymetru Leica TCRP1203: tradycyjnej – z pomiarem
kierunku, zmodyfikowanej – przy zastosowaniu
pomiaru odległości bez reflektora i techniki z użyciem lasera skanującego Leica ScanStation.
A truss construction, such as a mast, has often
complicated spatial composition. There are several
methods to determine its deflections and distortions. This article presents the comparison of precision and efficiency of chosen measurement
methods. Deflection and distortion of presented
object was determined by methods with the use of
an electronic tachymeter Leica TCRP1203: traditional – direction measurements, modified – which
uses measurement of distances without a reflector
and the technique of laser scanning using Leica
ScanStation apparatus.
726
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
NAUKA
SCIENCE
Bjorn Van Genechten
Luc Schueremans
Laserscanning for heritage documentation
Skanowanie laserem dla dokumentacji
dziedzictwa kulturowego
1. Introduction
1. Wprowadzenie
In recent years, 3D laser scanners have gained
interest, especially in 3D reconstruction and
reproduction, mainly because of their capability
to record huge numbers of points with high accuracy in a relatively short period of time. Especially in the field of deformation monitoring
for analyzing the structural stability of built
heritage, laser scanners can provide a much
denser and thus better representation of the deformations taking place over time.
The single-point precision of modern midrange laser scanners varies from 5 to 25mm depending on the laser and the measuring principle
used, but also depending on the measurement
conditions and the object surface to be scanned.
Comparing this precision to that of traditional
surveying techniques used for deformation monitoring such as total stations or contact sensors, the
precision of a laser scanner is approximately 1
order lower in magnitude. The main disadvantage
of these traditional techniques is that they only
offer single-point measurements and thus require
prior knowledge of critical zones.
The accuracy of a laser scanner can, however, be
upgraded by fitting surfaces to the collected points
and as such average the errors on each single point.
In order to optimize the accuracy even further, multiple scans of the same object can be acquired sequentially, increasing the number of points and thus
theoretically improving the standard deviation of
a single point measurement [1].
In this paper, the results of a test under laboratory conditions are presented which aimed at de-
W niedawnych latach skanery laserowe 3D stały się
obiektem zainteresowania, szczególnie w zakresie
rekonstrukcji i reprodukcji 3D, głównie z powodu
ich możliwości zarejestrowania ogromnej liczby
punktów, z wysoką dokładnością, w stosunkowo
krótkim czasie. Specjalnie w obszarze monitoringu
deformacji, w celu analizowania konstrukcyjnej stabilności budowli stanowiącej dziedzictwo kulturowe, skanery laserowe mogą zapewnić dużo gęstsze
i w ten sposób lepsze przedstawienie deformacji,
które nastąpiły w miarę upływu czasu.
Jednopunktowa dokładność nowoczesnych skanerów
laserowych średniego zasięgu waha się od 5 do 25 mm,
zależnie od lasera i zastosowanej metody pomiarowej,
ale również w zależności od warunków pomiaru i powierzchni przedmiotu, który ma zostać zeskanowany.
W porównaniu z dokładnością tradycyjnych technik
pomiarów geodezyjnych używanych dla monitorowania deformacji, takich jak tachimetry lub czujniki kontaktowe, dokładność skanera laserowego jest w przybliżeniu o jeden rząd wielkości lepsza. Główną wadą
tych tradycyjnych technik jest to, że oferują one tylko
jednopunktowe pomiary, a zatem wymagają wcześniejszej znajomości krytycznych stref.
Dokładność skanera laserowego może jednakże
zostać polepszona przez dopasowanie powierzchni do
zbiorów punktów, i jako taka pozwoli uśredniać błędy
dla każdego pojedynczego punktu. Aby jeszcze bardziej zoptymalizować dokładność, można przeprowadzić po kolei wielokrotne skanowanie te-go samego
przedmiotu, zwiększając liczbę punktów i w ten sposób teoretycznie poprawiając odchylenie standardowe
pomiaru pojedynczego punktu [1].
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
727
termining the sensitivity of laser scanning for detecting deformations.
2. 3D-Laser Scanning
Laser scanners used in built heritage recording are
categorized by their measuring principles: phasebased scanners and pulse-based scanners. Pulsebased scanners emit laser pulses and measure the
time between sending these pulses and receiving
their reflection from a surface. Since the laser
pulse travels with a constant speed, the speed of
light, the distance between the scanner and the
object can be determined. Their main benefits are
the large range (up to 3km) and the fact that their
accuracy is independent of the distance to the
objects that needs to be measured. One disadvantage is the fact that before sending a second pulse,
ones needs to wait for the reflection of the first
pulse to be received. This makes this measurement
principle rather slow (50.000 pts./sec) compared
to phase-based scanners (500.000 pts./sec.). Phase
based scanners emit a continuous modulated signal and calculate the distance to the object by
comparing the phase of the reflected signal to that
of the sent signal. This allows a faster point acquisition. However, as the signal modulation is affected by noise at longer distances, its range is
limited to 50 meter, or even to 25 meter for highly
accurate measurements.
The result of a 3D laser scanning campaign is a virtual three-dimensional point cloud representing the
entire geometry of the scanned area. As laser scanning
is a field-of-view technique, meaning that laser scanners cannot ‘see’ through obstacles or around edges,
multiple scan positions are often necessary to cover
the whole object. The process of linking these different positions is called ‘registration’. The registration
of multiple scans is often performed using artificial
targets placed in the scene and captured with very
high resolution using the laser scanner. These artificial
targets then define reference points in the virtual point
cloud and allow the computation of transformations
putting all the scans in the same reference system.
Once all the sub-scans are registered, the global
point cloud still needs extensive processing in order
to obtain useful information. The main steps in this
processing workflow are: noise reduction, resampling, surface modeling and hole filling.
3. Deformation monitoring
using laser scanning
Research on the use of terrestrial laser scanners
for deformation monitoring has started only recently,
728
W niniejszym artykule są przedstawione wyniki badań w warunkach laboratoryjnych, które miały na celu określenie czułości lasera skanującego
dla wykrywania deformacji.
2. Skanowanie laserowe 3D
Skanery laserowe użyte do rejestrowania budowlanych obiektów dziedzictwa kulturowego są sklasyfikowane według ich zasady przeprowadzania pomiaru
jako: skanery fazowe i skanery impulsowe. Skanery
impulsowe emitują impulsy laserowe i mierzą czas
między wysyłaniem tych impulsów i odbiorem ich
odbicia od powierzchni. Ponieważ impuls laserowy
przemieszcza się ze stałą szybkością, szybkością światła, może zostać określona odległość między skanerem i przedmiotem. Ich głównymi zaletami są duży
zasięg (do 3 km) i fakt, że ich dokładność jest niezależna od odległości od przedmiotów, które mają zostać zmierzone. Wadą jest fakt, że przed wysyłaniem
drugiego impulsu trzeba poczekać, aż odbicie pierwszego impulsu zostanie odebrane. Ta zasada czyni
pomiar raczej powolnym (50.000 punktów/sekundę)
w porównaniu ze skanerami fazowymi (500.000 punktów/sekundę). Skanery fazowe emitują ciągły modulowany sygnał i obliczają odległość do przedmiotu
przez porównywanie fazy sygnału odbitego z fazą
sygnału wysłanego. To pozwala na szybsze gromadzenie punktów. Jednakże, ponieważ na większych
odległościach na modulację sygnału wpływa szum,
jego zasięg jest ograniczony do 50 metrów lub nawet
do 25 metrów dla wysoce dokładnych pomiarów.
Wynikiem przeprowadzonej akcji skanowania laserowego 3D jest wirtualna trójwymiarowa chmura
punktów, reprezentująca całą geometrię analizowanego obszaru. Ponieważ skanowanie laserowe jest techniką pomiaru tego, co jest w polu widzenia, oznacza
to, że skanery laserowe nie mogą ‘widzieć’ przez
przeszkody lub za krawędzią, i często konieczne są
skanowania przeprowadzone z wielu różnych pozycji,
aby objąć przedmiot ‘wzrokiem’ w całości. Proces
powiązania tych rozmaitych pozycji nazywany jest
„rejestracją”. Rejestracja wielokrotnych skanów jest
często wykonywana przy użyciu sztucznych celów
umieszczonych w scenie i uchwyconych z bardzo
dużą rozdzielczością przy użyciu skanera laserowego.
Te sztuczne cele wtedy definiują następnie punkty
odniesienia w wirtualnej chmurze punktów i pozwalają na obliczenia przekształceń zestawiających wszystkie skany w tym samym systemie odniesienia.
Gdy tylko wszystkie pod-skany są zarejestrowane, globalna chmura punktów nadal musi zostać głęboko przetworzona, aby uzyskać przydatną
informację. Główne kroki w tym schemacie działań są następujące: redukcja szumów, ponowne po-
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
mainly because of the low single point accuracy
that can be achieved. However, in literature
a number of references can be found using this
technique. Tsakiri [2] publishes the results of a
deformation measurement of a sea lock using a
laser scanner which is fixed on a stable position.
The point clouds are then segmented by fitting
planes and the distances between these planes
are computed as a deformation measurement.
The detected deformation are in the order of 9
to 21 mm.
Gonzales and Aguilera [3] use terrestrial laser scanning to perform 3 subsequent measurements of a dam in Spain. The first survey is
done when the reservoir behind the dam is
empty, and the second survey when it is filled.
Between the second and the third survey, a tunnel was built close by. In order to orient the
point clouds according to each other, they use
artificial targets attached to an external reference system using total station measurements.
The detected deformations between the first and
the second measurement campaign fulfilled the
expected pattern, resulting in deformation of
8mm in the center of the dam decreasing towards the edges. Between the second and the
third measurement, deformations up to 18 mm
were detected.
Gielsdorf [4] describes an algorithm that orients subsequent point clouds according to each
other based on the automatic recognition of flat
surfaces. Tests prove that deformations larger than
10 mm can be detected.
The workflow for defoation monitoring using
terrestrial laser scanning can be described as
follows. A structure is scanned at two different
times t1 and t2, assuming it deforms within this
time frame. This results in two point clouds
representing the structures’ condition at these
points in time. For the sake of simplicity we will
assume that only one scan is made of the structure, so that there is no need for registration of
different point clouds.
Next, both point clouds must be positioned
according to the same spatial reference. This is
a crucial step which we will call “orientation”.
After having been oriented in a unique reference
system, the point clouds can be compared to determine the deformations that have taken place
between t1 and t2. However, since laser scanners
never measure exactly the same points two times
in a row, rough point clouds cannot be compared.
Therefore at least one of the point clouds must be
converted to a mesh before the differences between both scans can be computed.
bieranie próbki, modelowanie powierzchni i wypełnianie dziur.
3. Monitoring deformacji
przy użyciu skanowania laserowego
Badanie dotyczące użycia naziemnych skanerów laserowych dla monitoringu deformacji zaczęły się dopiero ostatnio, głównie z powodu niskiej dokładności pojedynczego punktu możliwej do osiągnięcia.
Jednakże w literaturze można znaleźć kilka odniesień
do zastosowania tej techniki. Tsakiri [2] publikuje
wyniki pomiaru deformacji śluzy morskiej przy użyciu skanera laserowego, który jest umocowany na stałej pozycji. Chmury punktów są następnie dzielone poprzez dopasowanie płaszczyzn, i obliczane są odległości między tymi płaszczyznami jako miara odkształcenia. Wykryte odkształcenia są rzędu 9 do 21 mm.
Gonzales i Aguilera [3] użyli naziemnego skanowania laserowego, aby wykonać 3 kolejne pomiary tamy w Hiszpanii. Pierwszy pomiar geodezyjny
był zrobiony, kiedy zbiornik za tamą był pusty, a drugi pomiar geodezyjny był dokonany przy napełnionym zbiorniku. Między drugim i trzecim pomiarem,
w pobliżu obiektu zbudowano tunel. Aby zorientować chmury punktów odpowiednio względem siebie, użyli oni sztucznych celów związanych z zewnętrznym systemem odniesienia, stosując pomiary
tachimetrem. Wykryte odkształcenia między pierwszą i drugą sesją pomiarową spełniały oczekiwania
dla tego modelu, wykazując odkształcenia 8 mm
w centrum tamy, malejące w kierunku ku jej krawędziom. Wykryto, że między drugim i trzecim pomiarem odkształcenia zwiększyły się do 18 mm.
Gielsdorf [4] opisuje algorytm, który orientuje
kolejne chmury punktów względem siebie, oparty na
automatycznym rozpoznaniu płaskich powierzchni.
Testy udowadniają, że można wykryć odkształcenia
większe niż 10 mm.
Schemat procesu monitorowania odkształceń
przy użyciu naziemnego skanowania laserowego
może zostać opisany następująco. Jakaś konstrukcja
jest skanowana w dwu odrębnych momentach czasu
t1 i t2, przy założeniu że w tej ramie czasowej wystąpiło odkształcenie. To doprowadza do otrzymania
dwóch chmur punktów, reprezentujących stan tej
konstrukcji w tych dwóch punktach czasu. Dla
uproszczenia założymy, że tylko jedno skanowanie
konstrukcji zostało przeprowadzone, a zatem nie ma
potrzeby rejestracji innych chmur punktów.
Następnie obydwie chmury punktów muszą zostać usytuowane zgodnie z tym samym przestrzennym układem odniesienia. To jest decydujący krok,
który nazwiemy „orientowanie”. Po zorientowaniu
w jednoznacznym systemie odniesienia, chmury pun-
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
729
The orientation of the point clouds in a common
reference is of the greatest importance for the
accuracy of the detected deformations. For this
reason, four possible configurations (table 1) for the
set-up of the measurement campaign are preset.
Each of these configurations implies a different
way of referencing the point clouds captured at
different times. However, only two of the configurations lead to an accuracy that is high enough for
deformation monitoring in historical buildings.
któw mogą zostać porównane, aby określić odkształcenia, które nastąpiły między t1 i t2. Jednakże, ponieważ skanery laserowe nigdy nie mierzą dokładnie
tych samych punktów dwa razy pod rząd, nie można
porównywać tylko przybliżonych chmur punktów.
Dlatego też co najmniej jedna z chmur punktów musi zostać przetworzona do siatki, zanim będą mogły
zostać obliczone różnice między obu skanami.
Orientacja chmur punktów we wspólnym układzie odniesienia ma największe znaczenie dla dokład-
Tab. 1. Accuracy of displacement measurements with total station and laser scanner
Dokładność pomiarów przemieszczenia tachimetrem i skanerem laserowym
Configuration
Konfiguracja
Fixed scanner
Scanner fixed on
Umocowany ska- a permanent, stable position.
ner
Skaner umocowany na trwałej,
stałej pozycji.
Advantages
Zalety
–
–
Accurate
Dokładny
Little labour intensive
Mało pracochłonny
Disadvantages
Wady
–
–
–
–
Fixed targets
Targets are fixed on stable
Umocowane cele positions in or on the structure.
Cele są umocowane na stałych
pozycjach w lub na konstrukcji.
–
Temporary targets
Tymczasowe
cele
–
Targets are surveyed from
each scanner setup and are
also topographically surveyed
referencing them to the same
coordinate system.
Cele są zmierzone geodezyjnie
dla każdego ustawienia skanera i również topograficznie
względem tego samego układu
współrzędnych.
Stable surround- No use of targets; a stable and
ing elements in
easy to model part of the surthe point cloud
roundings is used.
Stabilne eleNie używa się żadnych celów;
menty otaczające używa się elementów otoczew chmurze punk- nia, które są stabilne i łatwe do
tów
modelowania
–
–
–
–
Accurate
Dokładny
Multiple point clouds possible
Możliwe są wielokrotne chmury
punktów
–
Requirement for stable target
positions (Possible movement of
targets)
Wymaganie są stałe pozycje celów (Możliwe poruszenie celów)
No permanent elements on the
monument (No chance of
damaging the structure)
Nie ma żadnych trwałych
elementów na budowli (Nie ma
szans uszkodzenia konstrukcji)
No chance of moving targets
Nie ma szansy przemieszczenia
celów
–
Complex survey of targets
Złożony pomiar geodezyjny celów
Labor intensive
Pracochłonność
No permanent elements on the
monument (No chance of
damaging the structure)
Nie ma żadnych trwałych
elementów na budowli (Nie ma
szans uszkodzenia konstrukcji)
No chance of moving targets
Nie ma szansy przemieszczenia
celów
–
The first set-up consists of a laser scanner
placed in a permanent and stable position from
where it can measure the structure at given time
intervals. Since the scanner does not move between scans, its internal reference system does
not change.
Therefore the resulting point clouds are automatically positioned in a unique reference and
there is no need for further orientation. The
main drawback of this configuration is the high
cost involved, as the scanner should be left in
place.
730
Expensive
Drogi
Chance of theft or damage
Możliwość kradzieży lub
uszkodzenia
Scanner position must be stable
Pozycja skanera musi być stała
Only 1 point cloud per scanner
possible
Możliwa jest tylko jedna chmura
punktów na jeden skaner
–
–
–
No absolute reference possible
Żadne absolutne odniesienie nie
jest możliwe
Requires stable elements in the
surroundings
Wymaga stałych elementów w
otoczeniu
Low accuracy
Niska dokładność
ności wykrytych odkształceń. Z tego powodu możliwe są cztery konfiguracje (tab. 1) organizowania sesji
pomiarowej. Każda z tych konfiguracji pociąga za sobą
inny sposób dopasowania chmur punktów ujętych
w różnych momentach czasu do układu odniesienia.
Jednakże tylko dwie z tych konfiguracji prowadzą do
dokładności, która jest wystarczająco wysoka dla monitoringu odkształceń w historycznych budynkach.
Pierwsza organizacja składa się ze skanera laserowego umieszczonego w trwałej i stałej pozycji,
z której może on zmierzyć daną konstrukcję w zadanych odstępach czasu. Ponieważ skaner nie porusza
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
A second set-up consists of permanent targets that are placed on stable positions. These
targets, that are supposed not to move between
measurements, are used for the orientation of
the point clouds measured at different times.
Since the orientation for this setup is based
entirely on targets, the scanner moved after one
measurement and placed back on approximately the same position for a measurement at
another time. A potential problem with this setup is the need to find stable points for the targets inside the scanned area. As historical
buildings are constantly moving, this might be
problematic.
When it is impossible to find stable locations
for targets inside the scanned area, a third configuration can be used. In this set-up, targets are
removed from the scanned area after every
measurement and placed back (on possibly entirely different positions) for the next measurement. An external reference consisting of stable
points outside the scanned area is then used to
determine the position of the targets inside the
scanned area before every measurement. The
coordinates of the targets are determined using a
topographical surveying method which should
be as accurate as possible (i.e. total station).
Although this set-up has been used with success
for the monitoring of large dams [5], our tests
have shown that the resulting accuracy is too
low for deformation monitoring in historical
structures.
The fourth set-up does not make use of any
targets, nor does it need a laser scanner placed
in a permanent and stable position. In this last
case, stable parts of the structure itself or of its
surroundings are used to orient the point clouds.
The stable parts of the point clouds are selected
and fitted together, resulting in the determination of the parameters of the rigid body transformation that orients one cloud with respect to
another. Although our own tests have shown
that even deformations of up to 2,5 cm could
not be detected, Gielsdorf [4] claim to have
detected deformations of 1 cm by using planefitting algorithms on historical buildings. This
seems possible if the algorithms were of a very
high quality, but in any case it is far below the
sub-millimeter accuracy that is pursued in our
research.
4. Test case
In order to study the minimum detectable deformation suing a terrestrial laser scanner, a test
się między poszczególnymi skanowaniami, jego wewnętrzny system odniesienia nie zmienia się.
Z tego względu chmury punktów, otrzymane jako
wynik, automatycznie są usytuowane w jednoznacznym układzie odniesienia i nie ma żadnej potrzeby dalszej orientacji. Głównym mankamentem tej konfiguracji jest wysoki koszt jaki to pociąga za sobą, ponieważ skaner powinien być pozostawiony na miejscu.
Druga organizacja składa się z trwałych celów,
które są umieszczone na stałych pozycjach. Te cele,
które mają pozostać nie ruszone w czasie między
pomiarami, są użyte dla zorientowania chmur punktów zmierzonych w różnych momentach czasu. Ponieważ orientowanie przy tej organizacji jest oparte
całkowicie na celach, skaner jest zabierany po każdym pomiarze i umieszczany z powrotem w przybliżeniu w tej samej pozycji dla przeprowadzenia pomiaru w innym momencie czasu. Potencjalnym problemem przy tej organizacji jest potrzeba znalezienia
stałych punktów jako celów wewnątrz skanowanego
obszaru. Ponieważ historyczne budynki stale przesuwają się, to mogłoby to być problematyczne.
Kiedy niemożliwe jest odnalezienie stałych miejsc
jako celów wewnątrz skanowanego obszaru, może
zostać użyta trzecia konfiguracja. W tej organizacji,
cele są usuwane ze skanowanego obszaru po każdym
pomiarze i są umieszczane z powrotem (na prawdopodobnie całkowicie odmiennych pozycjach) dla następnego pomiaru. Wtedy, aby określić pozycję celów wewnątrz skanowanego obszaru, przed każdym
pomiarem użyty jest zewnętrzny system odniesienia
składający się ze stałych punktów poza skanowanym
obszarem. Współrzędne celów są określane przy użyciu topograficznej metody pomiaru geodezyjnego, która powinna być tak dokładna, jak to możliwe (tzn.
tachimetr). Chociaż ta organizacja została z sukcesem
użyta dla monitoringu dużych tam [5], nasze testy pokazały, że wynikowa dokładność jest zbyt niska dla monitorowania odkształceń w historycznych konstrukcjach.
Czwarta organizacja nie wykorzystuje żadnych celów, ani nie potrzebuje skanera laserowego umieszczonego w trwałej i stałej pozycji. W tym ostatnim
przypadku, stałe części samej konstrukcji lub jej
otoczenia są użyte do zorientowania chmur punktów. Stałe części chmur punktów są wybierane i dopasowywane do siebie, co prowadzi do określenia parametrów transformacji ciała sztywnego i orientacji
jednej chmury w odniesieniu do innej. Chociaż nasze własne testy pokazały, że nawet odkształcenia do
2,5 cm nie mogłyby zostać wykryte, Gielsdorf [4]
twierdzi, że wykrył odkształcenia 1 cm przy użyciu
algorytmów dopasowania płaszczyzn na historycznych budynkach. To wydaje się możliwe, jeżeli
algorytmy były bardzo wysokiej jakości, ale
w każdym razie jest to daleko mniej niż dokład-
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
731
case was prepared. The object of the test measurements is a 90 cm high by 140 cm wide masonry arch (figure 1). One of the legs of the arch
was attached to a movable platform controlled
by a screwing mechanism. The masonry arch
was selected because of its rough but realistic
texture, its high resistance to deformations and
the high occurrence of arches in historical heritage buildings.
At first the scanner for placed in a stable
position and was not moved throughout the
experiment, allowing to test the first setup
configuration. The scanner used in this test
campaign was a Leica Scanstation 2 pulsebased scanner which has a per point accuracy
of 4-6 mm.
ność poniżej milimetra, która jest osiągnięta w naszych badaniach.
4. Konkretny przykład próby
Aby zbadać minimalne wykrywalne odkształcenie
przy użyciu naziemnego skanera laserowego, został
przygotowany przykład. Przedmiotem testowych pomiarów jest murowany łuk o wysokości 90 cm i rozpiętości 140 cm (rys. 1). Jedna z podpórek łuku została przymocowana do ruchomej platformy kontrolowanej przez mechanizm śrubowy. Murowany łuk
został wybrany z powodu swojej szorstkiej, ale realistycznej tekstury, wysokiej odporności na odkształcenia i częste występowanie łuku w historycznych
budynkach stanowiących dziedzictwo kulturowe.
Fig. 1. The masonry arch with paper targets (left), scheme of subsequent applied deformations (right)
Rys. 1. Murowany łuk z papierowymi celami(po lewej), schemat kolejnych zastosowanych odkształceń (po prawej)
The arch was scanned multiple times, moving the right leg of the arch a few millimeters
outwards between scans. The exact displacement of the foot was measured using an electronic vernier calliper with a precision of 0,1 mm.
After every step, two scans were taken of the
arch and its surroundings, one with a resolution
of 5 mm and one with 1 mm. This allowed to
determine the effect of resolution on the accuracy of the results.
Firstly, the ability to detect deformations
based on artificial targets was analyzed. A paper
target was attached to the moving platform. This
target was measured using both a reflectorless
total station and the terrestrial laser scanner
after each step. In this way, the accuracy of the
displacement measured by both total station and
laser scanner could be checked. Table 2 shows
the error on the difference between two positions of a target measured from the same scanning position. As such, any systematic errors are
ruled out and there is no uncertainty about the
orientation between different point clouds. As both
732
Najpierw skaner umieszczono w stałej pozycji
i nie był poruszony przez cały okres eksperymentu,
co pozwalało przetestować pierwszą konfigurację
organizacji pomiaru. Skaner użyty w tej sesji testowej był to skaner Leica Scanstation 2, impulsowy
skaner, o dokładności 4-6 mm na jeden punkt.
Łuk był skanowany wiele razy, przy przesuwaniu
prawej podpórki łuku między poszczególnymi skanowaniami w kierunku na zewnątrz o kilka milimetrów. Dokładne przemieszczenie podpórki zostało
zmierzone przy użyciu elektronicznej suwmiarki
z noniuszem o dokładności 0,1 mm. Po każdym
kroku dokonywano dwu skanowań łuku i jego otoczenia, jednego z rozdzielczością 5 mm i jednego
z rozdzielczością 1 mm. To pozwoliło określić
wpływ rozdzielczości na dokładność wyników.
Najpierw została przeanalizowana zdolność wykrywania odkształceń w oparciu o sztuczne cele. Cel
wykonany z papieru został przymocowany do poruszanej platformy. Ten cel został zmierzony po każdym kroku, przy użyciu zarówno tachimetru bez
reflektora, jak i naziemnego skanera laserowego.
W ten sposób dokładność przemieszczenia, wymie-
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Tab. 2. Accuracy of displacement measurements with total station and laser scanner
Dokładność pomiarów przemieszczenia tachimetrem i skanerem laserowym
Total station
Tachimetr
Laser scanner
Skaner laserowy
Displacement [mm]
Przemieszczenie [mm]
Measured [mm]
Zmierzone [mm]
Error [mm]
Błąd [mm]
Measured [mm]
Zmierzone [mm]
Error [mm]
Błąd [mm]
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,6
1,0
0,4
1,0
0,4
1,4
2,0
0,6
1,2
0,2
2,5
3,0
0,5
2,1
0,4
4,6
5,0
0,4
5,0
0,4
15,0
15,0
0,0
15,2
0,2
mean error
średni błąd
0,3
mean error
średni błąd
0,3
the total station and the laser scanner use the
same measuring principle of reflectorless measuring, the errors are very similar.
Then, the point clouds themselves were used to
detect deformations. The point clouds measured
after each deformation step were compared with
a mesh of the original geometry of the arch. This
brings up the first parameter influencing the
measurements, namely the scan resolution. The
higher the resolution, the better the local surface
is approximated. However, in practice, a proper
balance needs to be found between the required
level of detail and the scan time. In this test case
scans were made with a resolution of 1 mm and
4 mm. The point clouds obtained were then
meshed using the software package Geomagic
Studio. Scans made at a resolution of 1 mm
were clearly oversampled. Oversampling occurs
when the resolution is chosen so small that the
distance between neighboring points becomes
smaller than the error on the distance between
scanner and object. For the Scanstation 2, this
error on the distance measurement is approximately 4 mm.
Comparison between the scans with resolution
1 mm (which are clearly oversampled) and those
with resolution 5 mm showed that the measurement error on the distance between scanner and
object is independent of the resolution. This
means that the accuracy of an oversampled point
cloud is as good as the accuracy of a normal
point cloud. Some problems arise, however,
when a meshing algorithm is applied to the data.
Oversampled point clouds lead to meshes with a
very poor quality. This can be explained by the
fact that the angle between neighboring elementary planes becomes too sharp, resulting in a very
coarse surface. This can be seen in figure 2.
rzona zarówno tachimetrem, jak i skanerem laserowym mogła zostać sprawdzona. Tabela 2 podaje
błąd różnicy między dwiema pozycjami celu wymierzonego z tej samej pozycji skanera. Systematyczne
błędy są wykluczone jako takie, i nie ma żadnej
niepewności co do orientacji między różnymi chmurami punktów. Jako że zarówno tachimetr, jak i skaner laserowy stosują tę samą zasadę pomiarową –
bez reflektora, błędy są bardzo podobne.
Następnie użyto samych chmur punktów, aby wykryć odkształcenia. Chmury punktów wymierzone po
każdym kroku odkształcenia były porównywane
z siatką oryginalnej geometrii łuku. To dostarcza pierwszego parametru wpływającego na pomiary, mianowicie rozdzielczości skanowania. Im wyższa rozdzielczość, tym lepsza aproksymacja lokalnej powierzchni. Jednakże w praktyce musi zostać znaleziona właściwa równowaga między wymaganym
poziomem uszczegółowienia i czasem skanowania.
W tym testowym przypadku skanowania zostały
wykonane z rozdzielczością 1 mm i 4 mm. Uzyskane
chmury punktów zostały następnie przyporządkowane siatce przy użyciu oprogramowania Geomagic
Studio. Skanowanie wykonane przy rozdzielczości
1 mm było wyraźnie obarczone nadmiarową ilością
próbkowania. Nadmiarowa ilość próbkowania występuje wtedy, kiedy rozdzielczość jest wybrana tak gęsto, że odległość między sąsiadującymi punktami staje się mniejsza niż błąd pomiaru odległości między
skanerem i przedmiotem. Dla Scanstation 2 ten błąd
pomiaru odległości wynosi w przybliżeniu 4 mm.
Porównanie między skanami z rozdzielczością
1 mm (które jest wyraźnie obarczone nadmiarową
ilością próbkowania) i tymi z rozdzielczością 5 mm
pokazało, że błąd pomiaru odległości między skanerem i przedmiotem jest niezależny od rozdzielczości.
To znaczy, że dokładność chmury punktów z nadmiarową ilością próbkowania jest równie dobra, jak
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
733
Fig. 2. Meshed point clouds resulting from different point cloud resolutions, (left) 1mm, (right) 5mm
Rys. 2. Chmury punktów przypisane do siatki, będące wynikiem różnych rozdzielczości chmury
punktów, (lewa) 1 mm, (prawa) 5 mm
Tests were performed, applying smoothing algorithms or resampling the oversampled point
clouds in order to reduce their point density.
These resulted in negative effects on the accuracy of the data. For this reason it is very important that the resolution should be correctly chosen from the start. As a rule one should remember that the resolution must be at least as big as
the error on the distance measurement from
scanner to subject.
Finally, the 5 mm resolution scans were used
and the distances between the deformed point
clouds and the original meshes were computed
and plotted on a 3D model of the arch using
Geomagic. A colored representation illustrates
the computed distances between the models,
where green are relative distance smaller than
0,5 mm. These are the points for which it is
impossible to tell whether the distance between
the point clouds is due to noise in the data or
due to real deformations.
The other colors give the magnitude of distances that should represent real deformations.
Analyzing the different deformations, it was
possible to clearly detect deformations of the
point cloud for a displacement of the foot of the
arch over 0,8 mm. The distance plot for this step
is shown in figure 3. Bigger displacements led
to (much) clearer results.
The other setup configurations were tested as
follows. For the second configuration a number of
artificial targets (both black-and-white paper targets and highly reflective Leica HDS targets) were
placed on stable positions around the arch. The
third configuration was simulated by placing a larger
amount of targets around the arch than necessary.
In this way, targets could be deleted from the
point clouds, resulting in point clouds containing
each a different set of targets. The coordinates of
734
dokładność normalnej chmury punktów. Jednakże,
powstają pewne problemy, kiedy algorytm dopasowania do siatki jest zastosowany do danych. Chmury
punktów z nadmiarową ilością próbkowania prowadzą do tworzenia siatek o bardzo złej jakości. To
można wyjaśnić faktem, że kąt między sąsiadującymi elementarnymi płaszczyznami staje się zbyt
ostry, co doprowadza do bardzo szorstkiej (zgrubnej)
powierzchni. To można zobaczyć na rys. 2.
Testy zostały wykonane przy zastosowaniu wygładzających algorytmów lub z ponownym pobieraniem próbki chmury punktów z nadmiarową ilością
próbkowania, aby zredukować ich gęstość punktów.
To skutkowało negatywnie na dokładność danych.
Z tego powodu bardzo ważne jest, żeby rozdzielczość została od początku poprawnie wybrana. Z reguły należy pamiętać, że rozdzielczość musi być co
najmniej tak duża, jak błąd pomiaru odległości od
skanera do przedmiotu.
W końcu zastosowano skanowanie przy rozdzielczości 5 mm i zostały obliczone odległości między zniekształconymi chmurami punktów i oryginalnymi siatkami i zostało to nałożone w układzie współrzędnych na
trójwymiarowym modelu łuku przy użyciu oprogramowania Geomagic. Barwna ilustracja przedstawia obliczone odległości między modelami, gdzie na zielono
oznaczono względne odległości mniejsze niż 0,5 mm.
To są te punkty, dla których niemożliwe jest określenie,
czy odległość między chmurami punktów jest wynikiem
szumu danych czy prawdziwych odkształceń.
Inne kolory podają wielkość odległości, które
powinny reprezentować prawdziwe odkształcenia.
Przy analizie rozmaitych odkształceń możliwe było
wyraźne wykrycie zniekształcenia dla chmury punktów przy przemieszczeniu podparcia łuku o ponad
0,8 mm. Naniesienie odległości w układzie współrzędnych, dla tego kroku, jest pokazane na rys. 3.
Większe przemieszczenia prowadziły do (znacznie)
wyraźniejszych wyników.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Fig. 3. Deformation plot of a displacement of the right foot over 0,8 mm outwards. The blue colour represents
displacements to the right
Rys. 3. Nałożenie w układzie współrzędnych odkształcenia i przemieszczenia prawej podpory o ponad 0,8 mm
w kierunku na zewnątrz. Niebieski kolor reprezentuje przemieszczenia w prawo
Średni błąd pomiaru [mm]
Average error measure [mm]
1,8
1,6
1,4
1,2
Total station
Tachimetr
1
Fixed scanner
Skaner nieruchomy
Fixed targets
0,8
Umocowane cele
Temporary targets
0,6
Tymczasowe cele
0,4
0,2
0
0
0,6
1,4
2,5
4,6
15
Odkształcenia mierzone za pomocą elektronicznej suwmiarki z noniuszem
Deformation measured by electronic vernious caliper
[mm]
Fig. 4. Average errors on the target measurements for different measurement configurations
Rys. 4. Średnie błędy pomiarów celów dla rozmaitych konfiguracji pomiaru
all the targets were measured by a total station
standing on a permanent position during the whole
test. Finally, the fourth configuration was simulated by deleting all the targets in the point clouds
and by using the surrounding walls and furniture
as stable parts of the point clouds.
For the configuration using fixed targets, the
average errors on the target measurements are
almost identical to those of the configuration using a fixed scanner position (see figure 4). The use
of temporary targets led to a slightly larger error in
the order of 1 mm. However, it has to be noted
that the total station was not moved in our study.
This means that in practice, a set error will be
introduced by repositioning the total station. As
this set error can be minimized by using a proper
network, it can be said that even temporary targets
can be used for deformation monitoring.
The final configuration using some stable elements in the environment lead to much larger errors
Inne konfiguracje organizacji pomiaru były testowane następująco. Dla drugiej konfiguracji kilka
sztucznych celów (zarówno czarno-białe cele wykonane z papieru, jak i silnie odbijające cele Leica
HDS) zostało umieszczonych na stałych pozycjach
dookoła łuku. Trzecia konfiguracja była symulowana przez umieszczanie większej, niż to konieczne,
ilości celów dookoła łuku. W ten sposób cele mogły
zostać skreślone z chmur punktów, dając w wyniku
chmury punktów z których każda zawierała inny
zbiór celów. Współrzędne wszystkich celów zostały
zmierzone przez tachimetr stojący na stałej pozycji
podczas całego testu. W końcu czwarta konfiguracja
była symulowana przez usunięcie wszystkich celów
w chmurach punktów i przez używanie otaczających
ścian i mebli jako stałych części chmur punktów. Dla
konfiguracji używającej stałych celów, średnie błędy
pomiarów celu są prawie identyczne jak te z konfiguracji przy użyciu ustalonej pozycji skanera (patrz
rys. 4). Użycie tymczasowych celów prowadziło do
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
735
in the order of 30 to 40 mm. It also has to be noted
that in the presented test, the deformation subject
was many times smaller than the stable area used
for the orientation. In practice this will often be
vice versa. As such this configuration cannot be
used for deformation monitoring purposes.
5. Conclusion
Using a laboratory test on a masonry arc, it has
been shown that displacements of 0,8 mm can
be detected from a point cloud obtained by terrestrial laser scanning. The main benefit of using laser scanning for deformation monitoring is
the fact that is can give a clear understanding of
the general trend of the displacement as opposed
to traditional (total station) measurements that
only survey a sparse set of points. As the detectable deformation obtained by using artificial
targets is 2 times higher than when using only
the point clouds, it is advised to combine both.
The target measurements will provide accurate
deformation measures while the point clouds
will point up the global deformation trend and
possible critical zones. For an extensive discussion of this case study and a more detailed
overview of the accuracy of current laser scanners we refer to Demeyere and Herinckx [6].
nieznacznie większego błędu, rzędu 1 mm. Jednakże
należy zauważyć, że w naszych badaniach tachimetr
nie został przesunięty. To znaczy, że w praktyce stały
błąd będzie wprowadzony przez przemieszczenie
tachimetru. Ponieważ ten stały błąd może zostać zminimalizowany przez używanie właściwej siatki, to
można powiedzieć, że nawet tymczasowe cele mogą
zostać użyte dla monitoringu odkształceń.
Końcowa konfiguracja przy użyciu jakichś stałych elementów z otoczenia prowadzi do znacznie
większych błędów, rzędu 30 do 40 mm. Należy też
zauważyć, że w przedstawionym teście obiekt ulegający odkształceniu był wiele razy mniejszy niż stały
obszar użyty dla zorientowania. W praktyce często
będzie sytuacja odwrotna. Jako taka, ta konfiguracja
nie może zostać użyta dla monitoringu odkształceń.
5. Wnioski
Przy użyciu prób w laboratorium, przeprowadzonych na murowanym łuku, zostało pokazane, że
można wykryć przemieszczenia 0,8 mm przy pomocy chmury punktów uzyskanej przez naziemne skanowanie laserowe. Główna korzyść z zastosowania
skanowania laserowego dla monitoringu odkształceń
płynie z faktu, że może to dać jasne ogólne pojęcie
o generalnej tendencji przemieszczenia, w przeciwieństwie do tradycyjnych (tachimetr) pomiarów,
które pozwalają uzyskać tylko pomiary geodezyjne
rzadkiego zbioru punktów. Jako że odkształcenia
wykrywalne przy użyciu sztucznych celów są 2 razy
większe niż kiedy używa się tylko chmury punktów,
zaleca się, by utworzyć kombinację obydwu. Pomiary z celem dostarczą dokładnej miary odkształcenia,
podczas kiedy chmury punktów wskażą globalny
trend odkształcenia i możliwe krytyczne strefy. Dla
zapoznania się z obszerną dyskusją tego badanego
przypadku i bardziej szczegółowym przeglądem
dokładności aktualnych skanerów laserowych należy
skorzystać z Demeyere i Herinckx [6].
References • Literatura
[1] [1] Lichti, D., Gordon, S., Stewart M., Ground-based Laser Scanners: Operation, systems and Applications, Geomatica, 2002, 56 (1), 21-33.
[2] [2] Tsakiri, M., Lichti, D., Pfeifer, N., Terrestrial laser scanning for deformation monitoring.
In: Proceedings of the 3rd IAG/12th FIG Symposium, 2006.
[3] [3] González-Aguilera, J.S.D., Gómez-Lahoz., J., A new approach for structural monitoring of large
dams with a three-dimensional laser scanner. Sensors, 2008, 8, ISSN 1424-8220.
[4] [4] Gielsdorf, F., Gruendig, L., Milev, I., Deformation analysis with 3D laser scanning. In: Proceedings of the 13th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 2008.
[5] [5] Alba, M., Giussani, A., Roncoroni, F., Scaioni, M., Valgoi, P., Geometric Modelling of a Large
Dam bu Terrestrial Laser Scanning. In: Proceedings of the XXIII FIG Congress, 2006.
[6] [6] Demeyere, T., Herinckx, S., Terrestriële laserscanning in de monumentenzorg: Nauwkeurigheidsanalyses en generatie van 2D snedes. Katholieke Universiteit Leuven, Leuven 2009.
736
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009

University of Applied Sciences St-Lieven, Gent, Belgium
Uniwersytet Nauk Stosowanych St-Lieven, Gent, Belgia
KULeuven, Department of Architecture, ASRO, Heverlee, Belgium
KULeuven, Wydział Architektury, ASRO, Heverlee, Belgia

KULeuven, Department of Civil Engineering, Heverlee, Belgium
KULeuven, Wydział Inżynierii Lądowej, Heverlee, Belgia
Abstract
Streszczenie
Over the last few years many researchers have
tried to exploit the benefits of laser scanning by
using the technique in a broad range of applications and constantly challenging its possibilities.
Especially in the field of cultural heritage, laser
scanning has become an important tool for the
creation of as-built data for digital archiving,
monitoring or restoration of important elements of
our cultural heritage patrimonial. One of the challenges, still remaining, is the use of laser scanning
for deformation monitoring. This article addresses
the question whether laser scanning can produce
sufficiently accurate measurements so that it can
be used for deformation monitoring of historical
structures.
W ciągu ostatnich kilku lat wielu naukowców
próbowało wykorzystać skanowanie laserowe,
używając tej techniki w szerokim zakresie zastosowań i stale rzucając wyzwanie jej możliwościom. Zwłaszcza w dziedzinie dziedzictwa kulturowego skanowanie laserowe stało się ważnym
narzędziem dla tworzenia rzeczywistych, wynikających z budowli, danych dla cyfrowego archiwizowania, monitoringu lub restaurowania ważnych
elementów naszego ojczystego dziedzictwa kulturowego. Jednym z wyzwań, nadal stojącym przed
nami, jest użycie skanowania laserowego dla monitoringu odkształceń. Ten artykuł stawia pytanie,
czy skanowanie laserowe może zapewnić wystarczająco dokładne pomiary, żeby mogło zostać
użyte dla monitoringu odkształceń historycznych
konstrukcji.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
737
PREZENTACJE – RAPORTY
PRESENTATIONS AND REPORTS
Marek Baścik, Paweł Dudek
Generowanie ortofotoplanów w programie
Pointools – zastosowanie skanera laserowego 3D
Creating cost-effective orthophotoplans
with Pontools software – one innovative application
of 3D laser scanning
Do tej pory fotogrametria była praktycznie jedyną
metodą umożliwiającą wygenerowanie ortofotoplanów elewacji budowli zabytkowych, często
wymaganych przez konserwatorów. Wymagania
te znacznie zwiększają koszty opracowania pełnej
inwentaryzacji. Implementacja skanerów 3D do
generowania zdjęć metrycznych usprawnia procedury pomiarowe, co w efekcie pozwala na znaczne obniżenie kosztów.
Fotogrametria nie ustępuje jednak całkowicie.
W przypadku gdy projekt zakłada wykonanie
ortofotoplanu o wielkości piksela mniejszej niż
3 mm, zastosowanie tylko i wyłącznie skanowania
laserowego 3D jest zadaniem trudnym. W większości skanerów istnieje tak zwany czwarty wymiar, to znaczy oprócz standardowych trzech
współrzędnych punktu mierzona jest jego intensywność, co składa się na siłę odbitego promienia
laserowego. Tworzy to pewne złudzenie tekstury,
wydatnie wspomagając obróbkę oraz interpretację
chmury punktów, jednak nie oddaje realnie rzeczywistości. Warunki świetlne tak istotne w fotogrametrii nie mają znaczenia podczas skanowania,
możliwa jest praca w całkowitej ciemności. Istotny jest jednak rodzaj oraz kolor materiału skanowanego obiektu, od których zależy siła odbitego
sygnału.
Przykładem zastosowania skanowania laserowego 3D do wygenerowania ortofotoplanów może
być jeden z naszych projektów przedstawiony poniżej. Zleceniodawca inwentaryzacji w „Łazienkach
Warszawskich” w Warszawie zamówił wykonanie
czarno-białych ortofotoplanów wszystkich elewa738
Photogrammetry – often an indispensable tool
for architectural restorers – was once virtually
the only method for generating an orthophoto
elevation of an historic building. But creating
such an image often significantly increase the
costs of a project. Using 3D scanners to generate metric images, however, improves the measurement accuracy and significantly lowers costs
at the same time.
Photogrammetry, however, cannot be eliminated completely. If the project involves the implementation of orthophotoplans with a pixel size
of less than 3mm, creating an image with the use
of 3D scanning alone is difficult. Most scanners
are “fourth dimensional”, that is in addition to the
standard three coordinates of a point they also
measure the intensity of the reflected laser beam.
This creates an illusion of texture and aides the
treatment and interpretation of the pointcloud, but
it does not accurately reflect the physical reality of
the object scanned. Light conditions which are so
important in photogrammetry are not a factor at all
during the laser scan, so it is possible to work in
complete darkness. However, the type and color of
the material of the scanned object is important,
since it determines the strength of the reflected
signal.
One of our projects on showcase below is an
excellent example of how 3D laser scanning can
be used to generate an orthophoto. For our survey
of the “Łazienki Królewskie” complex in Warsaw
(euphemistically known as the “Royal Baths”) we
needed to create a black and white orthophoto for
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Rys. 1. Ortofotoplan południowej elewacji “Pałacu na Wodzie” w Łazienkach Królewskich w Warszawie. Wielkość piksela 4 mm.
Ortofotoplany wygenerowane w programie Pointools
Fig. 1. Orthophotoplan of south elevation of “Palace on the Water” in Warsaw. Pixel size 4 mm. Orthophotoplan generated in program
called Pointools View Pro
Rys. 2. Fragment południowej elewacji
Fig. 2. Part of south elevation
Rys. 3. Detal architektoniczny elewacji południowej
Fig. 3. Architectural detail of south elevation
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
739
cji „Pałacu na Wodzie”. Do pomiaru wykorzystano skaner laserowy Faro LS 880 oraz precyzyjny tachimetr Leica TCRA 1101 plus. Dla
zwiększenia globalnej dokładności chmury punków wykonaliśmy pomiar i wyrównanie sieci
geodezyjnej, szacujemy iż osiągnęliśmy dokładność na poziomie 3 mm. Narzędziem do
wygenerowania widoków orto był program Pointools View Pro, który posiada funkcję wyświetlania chmury punktów w widokach ortogonalnych, a następnie tworzenia zdjęć o założonej wielkości piksela. Zdjęcia te mogą być
produktem końcowym. Istnieje również możliwość dodawania współrzędnych do wygenerowanych zdjeć, co umożliwia odpowiednią orientację ich w programach CAD i późniejszą wektoryzację. Pomiar metodą skanowania laserowego trwał cztery dni, prace kameralne zajęły
dwóm osobom dwa tygodnie. Nasza oferta zawierała również wykonanie tego zlecenia metodami tradycyjnymi. Zleceniodawca ze względu
na znacznie wyższą cenę i dłuższy czas opracowania przy zastosowaniu metody tradycyjnej,
zdecydował się na zastosowanie skanowania
laserowego 3D.
Poniżej prezentujemy zdjęcia z Łazienek Królewskich w Warszawie.
*
each external wall of the “Pałac na Wodzie” or
“Palace on the Water”. To do this we used the
Faro Laser Scanner LS 880 and a Precision Total Station Leica TCRA 1101 plus. To increase
the accuracy of the global pointcloud we integrated all the images from multiple observation
points into a survey network. This gave us accuracy within 3 mm. To generate orthophotos we
used a program called Pointools View Pro,
which can display point clouds in an orthogonal
view and create images based on the representative size of a pixel. These images are our final
product. Another feature allows adding the coordinates to the generated ortho which incorporates the appropriate orientation and the subsequent vectorization in Cad. It took us 4 days to
complete all the 3D scanning and surveys. Office work (including data processing and generation of orthophotoplans) was finished by two
people over two weeks. If our client had chosen
traditional protogrammetry, the price would
have been higher and the final product would
have been the same. The traditional method
would also have taken longer to complete than
3D laser scanning.
Below we have a few examples from the “Łazienki Królewskie” project in Warsaw.
3Deling, Kraków, Polska
3Deling, Cracow, Poland
740
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
INFORMACJE
INFORMATION
Kongres Kultury Polskiej
Congress of Polish Culture
W dniach 23-25 wrzeúnia 2009 roku w Krakowie
odby≥ siÍ VI Kongres Kultury Polskiej. Obradowano w Auditorium Maximum Uniwersytetu JagielloÒskiego. W drugim dniu Kongresu zorganizowano panel zatytu≥owany "W stronÍ systemu ochrony
dziedzictwa kulturowego w Polsce". Moderatorem
panelu by≥ prof. F.Ziejka. Zaproszonymi do wypowiedzi uczestnikami paneli byli: prof. Jerzy JasieÒko, prof. Konrad Kucza-KuczyÒski, prof. Bogumi≥a Rouba, prof. A.Tomaszewski. Panel rozpoczπ≥
wprowadzeniem prof. F.Ziejka. NastÍpnie prof. Jacek Purchla przedstawi≥ g≥Ûwne tezy "Raportu o
systemie ochrony dziedzictwa kulturowego", ktÛre
zosta≥y opublikowane w, towarzyszπcym Kongresowi, wydawnictwie: "Raporty o stanie kultury.
Wnioski i rekomendacje". Autorzy Raportu (J.Purchla, A.Bˆhm, P.Dobosz, P.Jaskanis, B.Szmygin)
uznali, iø do najwaøniejszych, koniecznych do niezw≥ocznego przeprowadzenia zadaÒ, ktÛre stojπ dziú
przed w≥adzπ paÒstwowπ odpowiedzialnπ za ochronÍ i opiekÍ nad zabytkami, naleøy zaliczyÊ, cyt.:
ñ ponowne scentralizowanie (odzespolenie) s≥uøb
konserwatorskich i ich reintegracjÍ;
ñ przywrÛcenie autonomicznego (odpolitycznionego) statusu urzÍdu Generalnego Konserwatora
ZabytkÛw i kadrowe wzmocnienie s≥uøb konserwatorskich;
ñ stworzenie alternatywnych pozabudøetowych
mechanizmÛw finansowania ochrony dziedzictwa w analogii do istniejπcego w Polsce systemu ochrony úrodowiska naturalnego;
ñ oparcie systemu zarzπdzania zasobami dziedzictwa kulturowego przede wszystkim na zasadach
ekonomii spo≥ecznej, a nie na komercjalizacji zabytkÛw;
ñ prze≥amanie syndromu Polski resortowej - zw≥aszcza w dziedzinie gospodarki przestrzennej;
ñ lepsze wykorzystanie istniejπcych rozwiπzaÒ
prawnych, takich jak park kulturowy (jego usta-
From 23rd to 25th September 2009, Krakow hosted the 6th Congress of Polish Culture. The conference was held in the Auditorium Maximum of the
Jagiellonian University. During the 2nd day the plenary panel entitled "Towards a system of Cultural
Heritage Preservation in Poland" took place. The
panel was chaired by Professor F. Ziejka, other participants including Professors: Jerzy JasieÒko, Konrad Kucza-KuczyÒski, Bogumi≥a Rouba, and A.
Tomaszewski.
The panel started with an introduction by Professor F. Ziejka, then Professor Jacek Purchla presented the main thesis of "The Report on the system
of preservation of cultural heritage", which has been
published in: "Reports on the state of culture. Conclusions and recommendations." The esteemed authors of the Report (J. Purchla, A. Bˆhm, P. Dobosz,
P. Jaskanis, B. Szmygin) came to the conclusion,
that among the most important challenges, which
ought to be answered immediately by due state authorities are:
ñ centralization of monument protection services
and their reintegration;
ñ more autonomy for the General Monument Conservator Office (which should restrain from political influence); increasing the number of members of the monument protection services;
ñ introducing alternative extra-budgetary methods
of founding protection of the cultural heritage
and historic monuments in analogy to the existing system of environmental protection;
ñ setting the system of cultural heritage management on social economy basis and not solely on
the commercial use of historic monuments;
ñ putting a stop to the "Polish resort syndrome" especially in the management of space;
ñ forceful use of already existing legislative solutions, such as the cultural park (which should be
implemented by the Voivodeship Monument
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
741
ñ
ñ
ñ
ñ
nowienie winno byÊ kompetencjπ wojewÛdzkiego konserwatora zabytkÛw) dla prowadzenia
skutecznej ochrony krajobrazu kulturowego;
zrewidowanie polityki wpisu do rejestru (nawet
za cenÍ powrotu do kategoryzacji zabytkÛw) przez
stosowanie statusu Pomnika Historii jako formy
ochrony szczegÛlnie wspieranej przez paÒstwo;
podjÍcie prac nad kompleksowym systemem edukacji na rzecz dziedzictwa, pojmowanej przede
wszystkim jako wychowanie w poszanowaniu tradycji i wartoúci jej úwiadectw oraz nauka o skutecznym zarzπdzaniu zasobami dziedzictwa;
wspieranie przez paÒstwo aktywnej partycypacji
spo≥eczeÒstwa obywatelskiego w procesie ochrony zabytkÛw i opieki nad nimi, a zw≥aszcza wykorzystanie potencja≥u organizacji pozarzπdowych;
ratyfikacjÍ miÍdzynarodowych konwencji w zakresie ochrony dziedzictwa kulturowego i úcis≥e
przestrzeganie przez PolskÍ ich ducha i litery.
Po wypowiedzi prof. J.Purchli, g≥os zabrali zaproszeni paneliúci.
Prof. K.Kucza-KuczyÒski szczegÛlny nacisk
po≥oøy≥ na absolutnπ koniecznoúÊ ochrony przestrzeni ≥πcznie z obiektem zabytkowym, rozwijajπc tÍ
tezÍ i dokumentujπc jej niezbywalnoúÊ dla jakoúci i
wartoúci chronionego pejzaøu kulturowego.
Prof. B.Rouba przedstawi≥a wiele przyk≥adÛw
realizacji konserwatorskich z obszaru konserwacji
obiektÛw budownictwa i architektury, zawierajπcych
istotne b≥Ídy, demontujπce spÛjnoúÊ wartoúci artystycznych, formalnych, materialnych, a tym samym
niematerialnych zabytku.
Prof. A.Tomaszewski podkreúli≥, przede wszystkim, wagÍ potrzeby odzespolenia s≥uøb konserwatorskich. Podkreúli≥ rÛwnieø, iø niespe≥na dwugodzinny panel, w øaden sposÛb nie rÛwnowaøy znaczenia zabytkÛw dla polskiej kultury, toøsamoúci,
dla szeroko rozumianego, rozwoju Polski.
Prof. Jerzy JasieÒko przypomnia≥, iø w 2005 roku
w Pa≥acu Kultury i Nauki w Warszawie, mia≥ miejsce, zorganizowany przez Stowarzyszenie KonserwatorÛw ZabytkÛw, pierwszy po II wojnie úwiatowej, Kongres KonserwatorÛw Polskich, w ktÛrym
brali udzia≥ przedstawiciele ca≥ego úrodowiska (ok.
300 uczestnikÛw).
Kongres KonserwatorÛw Polskich przyjπ≥ (juø
wtedy, w 2005 roku) REZOLUCJ , ktÛrej g≥Ûwne
tezy sπ jednoznacznie zbieøne z tezami RAPORTU, przedstawionego przez prof. J.PurchlÍ. Opowiedzia≥ siÍ w nim za zamkniÍciem szerokiej dyskusji (wobec ponownie potwierdzonego stanowiska
úrodowisk konserwatorskich) i za przystπpieniem do
pilnych prac legislacyjnych. W obszernym wystπpieniu zwrÛci≥ uwagÍ, iø jednym z kierunkÛw mo742
ñ
ñ
ñ
ñ
Conservator) for the more effective preservation
of cultural landscape;
changing methods of registry listing (even by
reapplying categorization of historic monuments)
ñ for example by granting the title of a ìMonument of Historyî as a form of preservation supported by the State;
preparation of a uniform system for cultural heritage education, which would stress the importance of tradition and its legacy, as well as popularize the knowledge and skills needed for its
effective management;
the State support for active participation of the
society in the process of protection and preservation of cultural legacy (especially by non-governmental means);
ratification of the international Conventions Concerning the Protection of Cultural Heritage and
strict adherence to them.
After the statement by Professor Purchla, other
guests presented their views and opinions.
Professor K. Kucza-KuczyÒski stressed the absolute necessity to protect the heritage object as
well as its space, as a key component for maintaining quality and value of the protected cultural
landscape.
Professor B. Rouba presented examples of building and architecture conservation containing relevant faults, which diminished their artistic, formal,
material coherence, and therefore the overall intangible value of the monuments.
Professor A. Tomaszewski emphasised the necessity for centralization of monument protection
services. He also stated that a mere 2 hour discussion does not, by any means, gratify the importance
of material heritage for our national culture, Polish
identity and prospect development.
In 2005, in the Palace of Culture and Science in
Warszawa - as Professor Jerzy JasieÒko kindly pointed out - the Congress of Polish Conservators of Historic Monuments took place. It was organized by
the Association of Monument Conservators and has
been the first such congress since World War II.
Nearly 300 participants attended, which accounts
for a good representation of the Conservators' milieu. Due to the fact, that in the year 2005 the Congress of Polish Conservators of Historic Monuments
had already prepared a RESOLUTION, which contains theses similar to those of Professor Purchla's
REPORT, Professor Jerzy JasieÒko stressed the need
to end discussions and implement their findings starting with legislation.
He noted that creating a National Center for Heritage Preservation could be a good solution. The
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
g≥oby byÊ tu powo≥anie Narodowego (Polskiego)
Centrum Ochrony Dziedzictwa a w rozwaøanym
zamyúle decentralizacja powinna przebiegaÊ w kierunku zwiÍkszenia merytorycznej efektywnoúci systemu ochrony, m.in. przez:
ñ dobudowanie, rozszerzenie grupy konserwatorÛw miejskich i samorzπdowych, powiπzanych z WojewÛdzkπ S≥uøbπ na drodze instancji odwo≥awczej
ñ poszerzenie i skonkretyzowanie wspÛ≥pracy
organÛw ochrony z prestiøowymi organizacjami pozarzπdowymi i konserwatorami diecezjalnymi.
Prof. J. JasieÒko zwrÛci≥ rÛwnieø uwagÍ na potrzebÍ stworzenia przez Ministerstwo Kultury i Dziedzictwa Narodowego, mechanizmu przyznawania
grantÛw oúrodkom naukowym w zakresie badaÒ
zwiπzanych z technologiami konserwatorskimi, analizami wytrzyma≥oúciowymi, technikami pomiarowymi, etc., w celu wsparcia ich rozwoju naukowego,
ktÛrego efekty mog≥yby mieÊ walor aplikacyjny.
Naleøy podkreúliÊ, iø wszyscy paneliúci w swoich wypowiedziach podtrzymali g≥Ûwne tezy RAPORTU. Panel, w krÛtkim wystπpieniu podsumowa≥ prof. F. Ziejka.
Panel by≥ transmitowany Ñon lineî w internecie.
Center would increase the efficiency of the preservation system by:
ñ augmenting municipal and local government
conservators, associated with Voivodeship
Service as their appeal authority
ñ specification and enhancing cooperation between preservation services, non-governmental organizations and diocesan conservators.
Furthermore, Professor J. JasieÒko advocated that
the Ministry of Culture and National Heritage should
implement new, more effective methods of granting funds for conservatory technologies, endurance
analysis, measurement analysis etc., which would
allow further research and development.
It is worth mentioning that all the participants
agreed on the main subjects of the REPORT. The
plenary panel was briefly summed up by Professor Ziejka, and it was transmitted online by the
Internet.
Redakcja
Streszczenie
Abstract
We wrzeúniu 2009 roku odby≥ siÍ VI Kongres Kultury Polskiej. Miejscem spotkania najwybitniejszych
w kraju ludzi kultury by≥ KrakÛw.
W trakcie obrad Kongresu wielokrotnie poruszano problemy zwiπzane z ochronπ zabytkÛw w Polsce. Temat ten zdominowa≥ drugi dzieÒ Kongresu,
kiedy to zorganizowano specjalny panel dyskusyjny zatytu≥owany: ÑW stronÍ systemu ochrony dziedzictwa kulturowego w Polsceî. Jego moderatorem
zosta≥ prof. F. Ziejka, a dyskutantami przedstawiciele rÛønych úrodowisk i w≥adz zwiπzanych
z ochronπ zabytkÛw w Polsce.
The 6th Congress of Polish Culture took place in
September 2009. The most distinguished people of
culture in Poland met in Krakow.
Problems connected with the protection of monuments in Poland were addressed repeatedly during
the Congress's debates. This issue dominated the second day of the Congress, when a plenary panel entitled ìTowards a system of Cultural Heritage Protection in Polandî was presented. The moderator of
this panel was Professor F. Ziejka. The participants
in discussions were representatives of various circles and authorities connected with monument protection in Poland.
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
743
INDEKS AUTORÓW
AUTHOR INDEX
Adamowski Józef
Ałykow Krzysztof
Angeli Albino
Antonowicz Ryszard
Arun Görün
538
609, 646
289
365
279
Bajno Dariusz
Barazzetti Luigi
Baścik Marek
Bayram Bülent
Bednarz Łukasz
Beran Pavel
Berkowski Piotr
Bettiol Giulia
Bilko Piotr
Binda Luigia
Blasi Carlo
Borri Antonio
Brol Janusz
Brzozowska Marzena
617
135
738
659
300
224
108, 480
186
245
135
197
147
345
679
Casarin Filippo
Chyży Tadeusz
Coïsson Eva
Corradi Marco
Czapliński Kazimierz
Czech Krzysztof Robert
Ćmielewski Bartłomiej
186
499
197
147
218, 559
499
718
da Porto Francesca
Dalla Benetta Massimo
Dąbrowski Rafał
Di Tommaso Angelo
Dmochowski Grzegorz
Dobrowolski Maciej
Drdácký Miloš
Drobiec Łukasz
Dudek Paweł
186
186
670
177
108, 471
627
224
437
738
Edwards Howell G.M.
Engel Lech
55
166
Fryśkowska Anna
670
Gaczoł Andrzej
Garbin Enrico
Gawron Krzysztof
Giannantoni Antonella
Gosowski Bronisław
Gosowski Maciej
404
186
218
147
547
547
Iwanicka Magdalena
Iwasaki Yoshinori
94
270
Jasieńko Jerzy
Jaskanis Paweł
Jurek Tomasz
166, 300, 314, 427
390
689
744
Kadłuczka Andrzej
Kadłuczka Katarzyna
Kamiński Mieczysław
Kania Stanisław
Kania Tomasz
Karaszkiewicz Paweł
Kasprzak Tomasz
Kędzierski Michał
Klimek Adam
Kobielarz Magdalena
Konarzewski Leszek
Kondolewicz Adam
Koss Andrzej
Kościuk Jacek
Kowal Zbigniew
Koźmiński Leszek
Kubisz Waldemar
Kučerová Irena
Kuleta Piotr
Kurtz Karolina
Kwiatkowska Ewa A.
Kwiecień Arkadiusz
381, 427
427
584
510
510
94
547
670
365
689
369
166
65
679, 705
565
679
679
224
637
518
94
234
Lipiec Marzena
Łękawa-Wysłouch Teresa
463
94
Magott Cezariusz
Maksymowicz Krzysztof
Malesza Mikołaj
Małyszko Leszek
Mantegazza Giovanni
Marczak Jan
Matkowski Zygmunt
Mazzon Nicola
Mąkolski Krzysztof
Medeksza Stanisław
Miedziałowski Czesław
Misztal Barbara
Moczko Andrzej
Modena Claudio
Munari Marco
Musiał Michał
125
689
499
245
159
65
538
186
718
627
499
336
108
186
186
584
Napierała Piotr
Napiórkowska-Ałykow Magdalena
Nowak Rafał
Nowak Tomasz
13
609, 646
253, 260
300, 314, 427
Ogrodnik Beata
Orłowicz Romuald
Ottoni Federica
463
245, 253, 260
197
Pająk Zbigniew
Panizza Matteo
Paszkowski Zbigniew
Peszko Andrzej
Piazza Maurizio
574
186
518
447
289
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Pieczyńska Joanna
Pietraszek Piotr
Pikos Michał
Płuska Ireneusz
Przesmycka Elżbieta
Puła Olgierd
Puła Wojciech
481
510
57
26
415
492
492
Słowek Grzegorz
Speranzini Emanuela
Sroczyńska Jolanta
Sylwestrzak Marcin
Szczepaniak Paula
Szeląg Henryk
Ścigałło Jacek
592
147
427
94
529
77
592, 601
Rapp Piotr
Rdzawska Elżbieta
Riggio Mariapaola
Roca Pere
Rokiel Maciej
Rosiek Genowefa
Rouba Bogumiła J.
Rybak Jarosław
Rzeszotarski Andrzej
314
325
289
207
125
86
94
481
260
Taranto Paolo
Targowski Piotr
Tomasi Roberto
Tomaszek Tomasz
Trocka-Leszczyńska Elżbieta
Tymińska-Widmer Ludmiła
135
94
289
354
325
94
Valluzzi Maria Rosa
Van Genechten Bjorn
Vatan Meltem
186
727
659
Scaioni Marco
Schueremans Luc
Selbesoğlu M. Oğuz
Sieniawska Małgorzata
Skarbek Jerzy
Skorek Aleksandra
Slížková Zuzana
135
727
659
463
447
77
224
Wala Danuta
Waligórski Tomasz
Wesołowska Maria
Wilińska Michalina
86
697
115, 529
670
Zioberski Jan Lech
463
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
745

Podobne dokumenty