Műemléképületek lézerszkenneres 3D felmérésének módszertana és tapasztalatai
Kastélyok pontfelhőben
A felméréseknél napjainkban egyre gyakoribb a lézerszkennelés, ami műemléki épületek esetén különleges eljárásokat igényel. Három magyarországi kastély példáján keresztül ismertetjük a Lechner Tudásközpontban kidolgozott korszerű felmérési módszertant, hogy az elmúlt két évben összegyűlt tapasztalatainkat megosszuk a hazai építészekkel, műemlékvédelmi szakemberekkel és térinformatikusokkal.
Épített örökségünk megóvása közös társadalmi érdekünk. Műemlékeink pótolhatatlan és hiteles történelmi források, amelyek nagy pontosságú térbeli felmérése egyedi formáikra, művészi részleteikre, állapotukra, vagy akár felhasznált építőanyagaikra vonatkozó adatok rögzítését is lehetővé teszi.
A korábban mérőszalaggal, majd lézeres távmérővel végzett felmérést napjainkban egyre gyakrabban váltja ki a lézerszkennelés, ami műemléki épületek esetén különleges eljárásokat igényel. Három magyarországi kastélyépület (1. ábra) példáján ismertetjük a Miniszterelnökség Építészeti és Építésügyi Helyettes Államtitkárságának szakmai háttérintézményeként működő Lechner Tudásközpontban kidolgozott korszerű felmérési módszertant, hogy az elmúlt két évben összegyűlt tapasztalatainkat megosszuk a hazai építészekkel, műemlékvédelmi szakemberekkel és térinformatikusokkal.
Technológiai alapok
A lézerszkenner a kibocsátott lézerfény visszaérkezési idejét mérve számolja ki a visszaverődési pontok távolságát. Mivel a lézersugarak vízszintes és függőleges síkkal bezárt szögét is rögzíti, ezen pontok iránya is meghatározható. Így a műszer – tengelye körül forogva – végigpásztázza környezetét, másodpercenként akár több millió visszaverődés helyzetét rögzíti és nagy sűrűségű 3D pontfelhőt hoz létre.[1]
A terepi lézerszkennerek hatótávolsága napjainkban több száz méter, de a műemléki felmérések során legfeljebb néhány méterről érdemes adatot gyűjteni. Tíz méteres szkennelési távolság esetén a visszaverődési pontok akár 1 mm közel is lehetnek egymáshoz, függőleges síkfelületen 1 000 000 pont/m2 sűrűségű pontfelhőt eredményezve. Ilyen részletesség főként aprólékos díszítőelemek felmérése vagy falrepedések kimutatása esetén szükséges, egyébként 5-25 mm közötti ponttávolság javasolt, ami átlagos pontsűrűséggel kifejezve a néhány ezer és néhány tízezer pont/m2 közé esik (2. ábra).[2]
A különböző álláspontból készült pontfelhőket egyrészt a műszer GPS pozíciójával, másrészt a több álláspontról is látható, erre a célra készített gömbök, prizmák vagy nyomtatott minták segítségével lehet összeilleszteni.[3]
A legtöbb lézerszkenner fotókat is készít a felmérés során, így minden ponthoz RGB színkód is társítható. Lehetséges a pontfelhőt és a fotókat ortogonálisan vetíteni, így perspektivikus és centrális torzulásoktól mentes, ortofotó-jellegű képet kapunk.
Az állványra rögzített lézerszkennerek mellett a felméréshez mozgó eszközök is használhatók. A közúti járművel végzett mobil lézerszkennelés a közterületi, homlokzati és forgalomtechnikai adatgyűjtés hatékony módszere, a nehezen megközelíthető épületrészek és tetőfelületek esetén pedig a pilóta nélküli légijárművel (UAV) végzett szkennelés jelenthet megoldást.
A pontfelhő egy köztes termék, ami alapul szolgál a felmérési dokumentáció elkészítéséhez. A pontfelhőben ellenőrző mérések, elemzések végezhetők, önállóan azonban még nem tekinthető tervdokumentációnak.[4] Feldolgozásának több szintje van, ám fontos megegyezni a rajzolás szabályairól, hibahatárairól és az ellentmondásos részletek értelmezéséről is – ugyanis egyértelmű szabályrendszer nélkül kaotikussá és eltérő minőségűvé válhat a feldolgozás (3 ábra). Kellően részletes pontfelhő esetén szükségtelen visszamenni a helyszínre, abban minden részlet megtalálható.[5]
Célszerű fénykép-dokumentációt is készíteni a felmérés során, amire támaszkodva a bizonytalan részletek később is tisztázhatók.
A pontfelhő alapján előre definiált elemek automatikus felismerése és 3D modellé alakítása is lehetséges, ilyenek a gépészeti objektumok, acélidomok, oszlopok, gerendák vagy akár a falsíkok is (4. ábra). Ez nagymértékben segíti a feldolgozási munkát és a BIM állományok létrehozását, de jelenleg még csak manuális ellenőrzéssel ad megbízható eredményt.
Pontfelhő-állományok kezelése
Pontfelhők tárolására számos fájlformátum létezik. A legegyszerűbb a térbeli koordinátákat (X, Y, Z) és egyéb attribútumokat (pl. RGB-kód) szövegesen tartalmazó .XYZ, .TXT vagy .CSV formátum. Ennél bonyolultabb adattárolásra képes a szabványosított .LAS, illetve annak tömörített .LAZ változata, ami vetületi információkat is tartalmaz. Gyakori még az .E57 formátum, ami a pontfelhővel együtt akár 3D modellt és textúrát is tartalmazhat.
A jellemző fájlméret nagyságrendekkel meghaladja a vonalas építészeti tervekét. Ez a részletesség függvényében változhat, egy álláspontból minimum 500 MB méretű fájl keletkezik. Komplex épületek felmérése akár több száz álláspontot is igényelhet, így egy kisebb kastélyépület részletes külső-belső felmérése elérheti a 100-200 GB közötti méretet.
Pontfelhő-kezelésre számos szoftver alkalmas, köztük több nyílt forráskódú is. Az egyik legelterjedtebb, többféle formátumot is kezelő szoftver a CloudCompare, amiben a legegyszerűbb műveletektől a bonyolultabbakig (pl. automatikus síkillesztés, zajszűrés) sokféle algoritmus használható.
Már a legtöbb építészeti tervezőprogram is kezeli a pontfelhőket valamilyen mértékben, de a feldolgozásukhoz szükséges összetett műveletek végrehajtására még nem képesek. Beépülő modulok (pl. PointCAB vagy Recap) telepítésével viszont – bizonyos korlátokat elfogadva – már igen jól használhatók.[6]
A három kastély felmérése során az ArchiCAD 19-es (Build 4006) verzióját használtuk, így tapasztalataink főként erre vonatkoznak. A maximális részletességű állományok problémákat okoztak, ezért a felesleges tartalomtól megtisztítva és feldarabolva nyitottuk meg azokat a modelltérben. A 2D és 3D tervanyagok egymástól függetlenül, több fájlban készültek, így kerülve el a szoftver túlterhelését. A munkamenetet a számítógépek hardveres konfigurációja is befolyásolta. A teljes pontfelhő-állományokat csak nagy teljesítményű munkaállomások tudták megfelelő sebességgel kezelni.[7][8]
Teleki–Tisza-kastély, Nagykovácsi
2014-ben megújulás előtt állt a nagykovácsi Teleki–Tisza-kastély. Szerkezeteinek komplexitása és részletgazdagsága indokolta a lézerszkenneres felmérést. Bár a hagyományos építészeti és geodéziai felmérést nem lehetett teljesen kiváltani, a munkaráfordítás jelentős mértékben csökkent.
Az épületeket kívülről ábrázoló pontfelhő sűrűsége kb. 16 000 pont/m2 volt (5. ábra), ám a 3D modell és a homlokzat rajzai alapvetően a helyszíni manuálékból készültek el (6. ábra). Ennek okai között szerepelt a pontfelhő – akkor még problémát jelentő – 20 GB körüli fájlmérete, továbbá hogy a szoftver- és hardverkörnyezet egyidejűleg csak egy ember munkáját tette lehetővé és a fájlkonverziók elvégzése is bonyolult volt.
Így a pontfelhő főként vizuális segítséget és ellenőrzési lehetőséget nyújtott: a pontatlan manuálék okozta félreértések tisztázása kevesebb helyszíni utómérést igényelt, illetve a magasan lévő, nehezen elérhető párkányok és szerkezeti elemek méreteinek meghatározása is pontosabbá vált.
A belső terekről nem készült lézerszkenneres állapotrögzítés, mert az utólagosan beépített válaszfalak, az értéktelen bútorok, valamint az áthelyezett és bontandó vizesblokkok ezt nem tették indokolttá. A bejáratok mellé helyezett prizmák segítették a külső lézerszkennelés és a manuális külső-belső felmérés összedolgozását.
Mindezek mellett a pontfelhő a terület fakataszterének elkészítéséhez is hozzájárult, a fák pozíciói és törzsátmérői – geodéziai felmérés helyett – kinyerhetők voltak a pontfelhőből. A helyszíni bejárás viszont nem volt teljesen elhagyható, a fák állapotának meghatározása és az esetleges betegségek fényképes dokumentálása miatt. A sűrű aljnövényzet sajnos nem tette lehetővé a szintvonalak megbízható kinyerését a pontfelhőből, ezért a terepmodell felépítése manuálisan történt, a geodéziai módszerekkel meghatározott szintvonalak alapján.
Az épület felújítása jelenleg is zajlik, ezért egy UAV alkalmazásával célszerű lenne megismételni a pontfelhő-alapú felmérést, ezáltal biztosítva egyrészt a kivitelezés nyomon követését, másrészt a terv szerinti 3D modell és a megvalósulási állapot automatikus összehasonlítását.
Megbízó: Magyar Cserkészszövetség
Felmérési koncepció: Gyulai Attila, Katona András, Riedel Miklós Márton
Lézerszkennelés: BKK Közút Zrt. (jelenleg Budapest Közút Zrt.) RIEGL VZ-400 műszerrel
Károlyi-kastély, Füzérradvány
A füzérradványi Károlyi-kastély felmérése 2015 januárjában kezdődött, a Nemzeti Kastélyprogramhoz kapcsolódóan. Az épületről korábban készült már hagyományos kézi felmérés, ám az időközben történt változások és állagromlás dokumentálása is cél volt, amihez a régebbi felmérést össze kellett hasonlítani az aktuális állapotról készülő pontfelhővel. Ennek során a hagyományos, illetve az új technológia pontossági és megbízhatósági különbségére, valamint az adatfeldolgozás és digitalizálás eltérő időtartamára is fény derült.
A kastélyt kívül-belül felmérték lézerszkennerrel, a legtöbb álláspontból maximális részletességgel – ám kültéren a gyorsabb szkennelés érdekében 30-40 méteres távolságból is végeztek adatgyűjtést (7. ábra). A különböző álláspontokból rögzített állományok összeillesztését követően a már megtisztított pontfelhő alapján CAD rajzolók állították elő a vektoros terveket.
Műemléki szakértővel együttműködve került meghatározásra a dokumentálás módja, hogy milyen rajzok és modellek elkészítése szükséges. A felmérés megtervezése azonban nem építészeti szemlélettel történt, ezért a végeredmény nem mindenhol lett megfelelő: több belső térből nem távolították el a függönyt, illetve a zsalugáterek ad-hoc pozíciója is sokszor kitakart ablak-részeket.
3D modell készítésére nem volt igény, így a végső dokumentáció 2D elemekből áll. Az épület alaprajzait, metszeteit és homlokzatát MicroStation szoftverben dolgozták fel, aminek sebessége lassú, munkafolyamata pedig nehézkes volt. A feldolgozást csak részben végezték építészek, sok olyan CAD-rajzoló is közreműködött, akiknek nem volt építészeti felmérési tapasztalata, így az építészetileg releváns részleteket nem megfelelően dolgozták fel. Az épületről készített helyiségenkénti fényképkatalógus azonban hasznos segítséget jelentett a bizonytalanságok tisztázásában.
A kb. 500 GB méretű pontfelhő jelentősen lelassította a rajzolóprogramot, a hardver-követelményeknek csak kevés munkaállomás felelt meg. Ezért a pontfelhőt kisebb részekre bontottuk, mivel ha minden rajzoló csak egy részlettel dolgozott, gördülékenyebbé vált a munkavégzés a meglévő hardver-konfigurációkon. A teljes dokumentáció kb. fél év alatt készült el.
A hagyományos, kézi felmérést összehasonlítva a pontfelhővel jelentős eltérések mutathatók ki. Bizonyos helyeken a tagozatok és részletmegoldások teljesen különböznek a kétféle módszerből származó végeredményben, a kézi felmérés térbeli pontatlansága pedig akár 40-50 cm is lehet (8. ábra).
Megbízó: Forster Gyula Nemzeti Örökségvédelmi és Vagyongazdálkodási Központ
Felmérési koncepció: Riedel Miklós Márton, Harmath Tamás, Fülöpp Róbert
Lézerszkennelés: BKK Közút Zrt. (jelenleg Budapest Közút Zrt.) RIEGL VZ-400 műszerrel
Konzorciumvezető: BKK Közút Zrt. (jelenleg Budapest Közút Zrt.)
Konzorciumi partnerek: Lechner Tudásközpont Területi, Építészeti és Informatikai Nonprofit Kft., MindiGIS Térinformatikai Iroda Kft.
Károlyi–Csekonics-palota, Budapest
A Reviczky és Múzeum utca között elhelyezkedő épület a közeljövőben felújításra kerül, ennek előkészítéséhez vált szükségessé a 2015 októberében megkezdett pontos, alakhelyes felmérés. A lézerszkenneléses technológia alkalmazását a műemléki részletesség, illetve a rövid határidő indokolta.
A korlátozott költségkeret miatt csak az épület homlokzatairól és reprezentatív termeiről készült lézerszkenneres felmérés, melynek megtervezésében elengedhetetlen volt az építészek közreműködése és egy műemléki szakértő részvétele, aki segített megállapítani, hogy melyek a részletes felmérésre érdemes részek, illetve egy hibahatár-értéket is megadott, amin belül a szerkezetek idealizálhatók.
A lézerszkennerhez integrált nagyfelbontású fényképezőgéppel álláspontonként öt fénykép készült, ami panorámaképek készítését és a pontfelhő színezését is lehetővé tette (9. ábra). Ezeket egészítették ki a manuálék és a fotódokumentáció. A műemléki szempontból kevésbé értékes helyiségek felmérése hagyományos módszerrel történt.
A geodéziai eljárással bemért külső álláspontok a két utcai homlokzat mentén helyezkedtek el és az onnan készített pontfelhők összekapcsolhatók voltak a belső álláspontokból gyűjtött adatokkal, így biztosítva a teljes állomány egységes vetületi rendszerbe illesztését.
A megkívánt részletezettség érdekében a homlokzatok szkennelése nagyszámú álláspontból történt, a homlokzatokhoz közel és attól távolabb, valamint a környező épületeken elhelyezve (10-11. ábra). Ezáltal a szűk és lombos fákkal telepített Reviczky utcában is sikerült a megfelelő pontosságú adatgyűjtés.
A tetőszerkezet mérése során nem volt szükség UAV használatára, ugyanis a szomszédos magasabb épületekről lehetett adatgyűjtést végezni az állványra rögzített lézerszkennerrel, így pontosabb eredményt kaptunk alacsonyabb költségráfordítással.
Az .E57 formátumú pontfelhő kb. 350 GB-os mérete miatt az abból készített nagyfelbontású ortofotót használtuk a feldolgozás során (12. ábra), ami az építészeti tervezőprogramba háttérképként importálva egyszerűen és gyorsan átrajzolható volt.
A feldolgozási munka kettévált: egyrészt műemléki részletességű 2D vonalas rajzok, másrészt a továbbtervezést segítő 3D BIM állomány (13. ábra) és abból generált tervrajzok készültek. Ez a megoldás az épület jellegéből adódott, ugyanis a részletes műemléki tagozatok, faragványok és díszek 3D-s ábrázolása feleslegesen nagy időráfordítást jelentett volna, ugyanakkor a vonalas rajzokon műemléki szempontból fontos ezek megjelenítése. Ám mindkét dokumentáció kiindulási alapja a pontfelhő, így azok végeredménye összekapcsolható.
A felmérést olyan építészek végezték, akik megfelelő gyakorlattal rendelkeztek az építészeti tervezőprogramok használatában és a műemléki felmérések terén, ugyanakkor az épület összetettsége és részletgazdagsága miatt hagyományos módszerrel nem tudták volna elvégezni a felmérést a rövid határidő végére. A tervdokumentáció alakhelyessége, pontossága és részletes kidolgozottsága a hagyományos méréssel összevetve teljes mértékben igazolta az új technológia létjogosultságát a műemlékek felmérési módszertanában.
Megbízó: Közigazgatási és Igazságügyi Hivatal
Felmérési koncepció: Harmath Tamás, Kari Szabolcs, Katona András
Lézerszkennelés: BKK Közút Zrt. (jelenleg Budapest Közút Zrt.) RIEGL VZ-400 műszerrel
3D modell: Opinion Builders Kft.
Összegzés
Műemlékek felmérésénél a hangsúly az alapos dokumentáláson van. A lézerszkennelés egyaránt megkönnyíti a helyszíni adatgyűjtést és az irodai adatfeldolgozást is. A távolsági és szögmérési pontatlanságok csökkennek, így gyorsabban elkészíthetők az alakhelyes műszaki rajzok. A nehezen hozzáférhető helyekről (pl. mennyezet, párkánytagozatok, tetőszerkezet) is precíz információkat ad, és segíti a hagyományos módon nem mérhető szerkezetek (pl. kétszeresen görbült felületek) rajzi rögzítését. A pontfelhő további előnye, hogy az objektumok térbeli adatait teljeskörűen tárolja, így utólagos helyszíni mérések nélkül is megfelelő alapja egy későbbi rekonstrukciónak vagy továbbtervezésnek.
A technológiának számos előnye mellett hátrányai is vannak. Egyrészt napjainkban még költségesebb a hagyományos módszernél. Ezt a lézerszkenner beszerzése/bérlése, valamint az erős hardver- és speciális szoftverigény okozza (egy korszerű lézerszkenner ára kb. 20-30 millió Ft). Másrészt a felmérés munkafolyamata bonyolultabb, nagyobb szakmai felkészültséget és alapos előkészítést igényel (pl. az illesztési pontok láthatóságát előre meg kell tervezni). Továbbá sűrű, városi beépítés esetén és belső terekben gondot okozhat, hogy a lézerszkenner nem állítható fel ideális távolságra, a nagy rálátási szög miatt pedig jelentős torzulások léphetnek fel. Végül, de nem utolsó sorban számolni kell az új technológia betanításához szükséges idővel és erőforrásokkal is.
A három kastélyépület felmérése során a lézerszkenner alkalmazása meghozta a várt eredményt: az időráfordítás csökkent, a pontosság és alakhelyesség pedig nagymértékben javult. Az elsajátított tudás és tapasztalatok alapján úgy gondoljuk, hogy ez a módszertan nagyobb volumenű műemléki felújítási projektekben is költséghatékonyan alkalmazható.
Szakmai háttérintézményként a Lechner Tudásközpont elkötelezett az innovatív 3D építészeti módszertani megoldások kipróbálása és hazai bevezetése iránt, elősegítve az építészek, műemlékvédelmi szakemberek és térinformatikusok közötti együttműködést, valamint a korszerű ismeretekre támaszkodó szemléletformálást is.
A pontfelhőket és az azokból létrehozott képeket, ortofotókat a BKK Közút Zrt. (jelenleg Budapest Közút Zrt.) állította elő. A Teleki–Tisza-kastély tervrajzait a Magyar Cserkészszövetség, a füzérradványi Károlyi-kastély, valamint a Károly–Csekonics-palota tervrajzait a Lechner Tudásközpont munkatársai készítették.
Hivatkozások:
- ↑ Attila Berényi
- ↑ W. Boehler, G. Heinz, A. Marbs, The Potential of Non-contact Close Range Laser Scanners for Cultural Heritage Recording
- ↑ Fmmk
- ↑ Heritage English 3D Laser Scanning for Heritage [Cikk]. – 2011. október
- ↑ Stephen Fai, Katie Graham, Todd Duckworth, Nevil Wood, Ramtin Attar Building Information Modeling and Heritage Documentation
- ↑ HCU-Hamburg
- ↑ Shoegnome Jared Banks
- ↑ Graphisoft
Megjelent a Metszet 2016. szeptember-októberi számában.
