Korszerű homlokzatfelmérési módszertan – fotogrammetria, statikus és mobil lézerszkennelés összehasonlítása

Napjainkban az épületfelmérési technológiák nagy sebességgel fejlődnek, mivel a lézeres távmérővel készült manuálék mellett megjelentek a pontfelhő alapú eljárások is, egyrészt fotogrammetriára, másrészt lézerszkenneres adatgyűjtésre támaszkodva. A Lechner Tudásközpont munkatársai a Dohánygyár volt igazgatói épületének BIM modelljét felhasználva tesztelték a különböző felmérési módszereket, hogy a gyakorlatban tapasztalják meg azok előnyeit és hátrányait.

Az épület

A Budapest Lágymányosi Magyar Királyi Dohánygyár tervezését 1908-ban kezdte meg Zobel Lajos, a Kereskedelmi Minisztérium főtanácsos építésze [1]. Az épületcsoport 1912-re készült el. A Budafoki út felé két központi kapuépítményt alakítottak ki egymással szimmetrikusan, köztük terült el U alakban a gyártási épület, két szárával a telek belseje felé fordulva. Az U két szára közé épült a kazán- és gépház, 60 méter magas tornyával. A telek mélyén, a Budafoki úttal átellenes oldalon kapott helyet a raktárépület, amelynek eredetileg 220 méter hosszú tömbjét négy rizalit tagolta. A telek Karinthy Frigyes út felőli két sarkában egy igazgatói épületet és egy lakóházat helyeztek el [2].

Az épületegyüttes ma több tulajdonos és bérlő kezelésében áll, ebből is adódóan az építészeti megjelenése nem egységes, az épületek, de főleg a külső terek rendezetlen benyomást keltenek.

Az épület téglafalas szerkezetű, monolit vasbeton födémekkel, a homlokzatai vakoltak, lizénákkal és mészhomok tégla betétekkel tagolva. A fali lizénák a tető síkja felett posztamensszerű csonkatömb felépítményekben végződnek. Az ablakok nincsenek keretezve, felettük hengerelt vas I-gerendás kiváltók helyezkednek el, rozettadíszekkel. Az épület lapostetős. Az igényes kovácsoltvas munka a tető mellvédkorlátjai, a tetőelemek tárcsabetét-jellegű díszei tipikusan az 1900-as évek bécsi építészetére utalnak. Azonban az ipari jelleg miatt a tervezőnek a szecesszió szokásos épületdíszeit nélkülöznie kellett, ebből adódóan az épület a premodern építészet szép hazai példájaként is értelmezhető.

A felmérés

A Lechner Tudásközpontnak is otthont adó, egykori Lágymányosi Dohánygyár építészeti értékeinek megőrzése érdekében tavaly elkezdődött az épületek felmérése. Elsőként a volt igazgatói épület került sorra, amelynek építészeti felmérési dokumentációját BIM állományban, FM rendszerrel kiegészítve készítette el a Lechner Építészeti Osztálya.

A felmérés alapvetően hagyományos módszerekkel készült, azaz mérőszalaggal és lézeres távmérővel, amit fotódokumentáció egészít ki. Az épületen roncsolásmentes felmérést végeztünk, így az épületszerkezeti rétegrendek feltárása nem történt meg, viszont az épület értékes, műemléki részleteit az esetleges későbbi felújítások érdekében pontosan felmértük és dokumentáltuk. A hagyományos értelemben vett felmérési tervdokumentáció tartalmazza az egyes szintek alaprajzait, az épület jellemző metszeteit, az eltérő homlokzatokat valamint a nyílászárók konszignációját.

A felmérésből BIM rendszert építettünk, azaz a 3D modellhez többletinformációkat rendeltünk, ami tartalmazza például a fő építőanyagokat, a mennyiségeket, a tárgyak és eszközök egyedi tulajdonság-értékeit. A műszaki tervdokumentációt a BIM állományból közvetlenül állítottuk elő, a tervlapok utólagos vonalas módosítás nélkül kerültek kimentésre. Ez egy későbbi áttervezés során nagyban gyorsíthatja annak folyamatát, mivel a modellen történő bármilyen változást automatikusan követ a rendszer, így az új tervlapok is automatikusan a modellből generálhatók lesznek. A felmérési tervek elkészültével BIMx modellt is készítettünk, így az épület virtuális modellje mobil eszközön is áttekinthető, bejárható.

Az építészeti tervdokumentáció részét képezte az FM (Facility Management, magyarul létesítmény-gazdálkodási) rendszer adatainak felvitele rögzítése is. Ez az épület üzemeltetéséhez kapcsolódó adatok dokumentálását és nyomon követését segíti (pl. tervszerű karbantartások időzítése, meghibásodások jelzése és rögzítése, berendezések adatainak tárolása, kimutatások készítése). Ennek érdekében felmértük az épület fő gépészeti berendezéseit és világítási rendszerét is, és ezeket az üzemeltetés számára is fontos adatokkal töltöttük fel. Így az eddigi táblázatban kezelt adatok kapcsolódni tudtak a BIM állományban szereplő virtuális megfelelőjükhöz.

Felmérési technológiák összehasonlítása

A felmérés során célunk volt különböző módszerek összehasonlítása is – ehhez több forrásból származó 3D pontfelhőket használtunk fel. Referenciaként kiválasztottuk a déli homlokzat egy részletét, ahol a nyílászárók mellett derékszögben illeszkedő sarkok, lépcső és korlát is találhatók. Fontos figyelembe venni, hogy minden összehasonlítás az idealizált formákkal történt, amitől a valóság adott esetben némileg eltérhet (pl. amennyiben egy falfelület nem teljesen sík, vagy a sarok nem pontosan derékszögű). A lenti számadatok éppen ezért nem a műszerek, illetve módszerek hibáját mutatják, hanem azt, hogy mennyire közelítették meg a kézi felmérésen alapuló, idealizált formákból álló modellt.

A lézerszkenneres módszert az Építészeti Osztály több éve alkalmazza felmérési munkáinál, így készült a füzérradványi Károlyi-kastély és a budapesti Károlyi–Csekonics-palota felmérése is. A munkák során szerzett tapasztalataik alapján kidolgoztak egy korszerű felmérési módszertant is, amelyről az egyes projektek részletes leírásával együtt a Metszet építészeti folyóirat 2016/5. számában jelent meg szakcikk [3]. Ezt kiegészítettük fotogrammetriai mérésekkel, ami kimeneti állományát tekintve hasonló (3D pontfelhőt ad), ám annak statisztikai paraméterei eltérők.

Jelen vizsgálat során több típusú műszert vetettünk össze, amelyek között volt statikus lézerszkenner (Leica P30, Leica C10), mobil lézerszkenner (ZEB REVO), továbbá fényképek fotogrammetriai kiértékeléséből előállított pontfelhő is: Nikon D7200, Leica D-LUX4, illetve egy DJI Phantom 4 típusú UAV (drón) beépített kamerája. Tehát lényegében három különböző technológia került összehasonlításra, eltérő előnyökkel és hátrányokkal. Fontos a két technológia működési elveire is kitérni, hiszen a két pontfelhő különbsége igazán csak akkor értékelhető, ha a keletkezésük körülményeit ismerjük.

A lézerszkennerek technológiai háttere alapvetően megegyezik a lézeres távmérőkével – azaz adott lézersugár kibocsátásának és visszaverődésének idő-, vagy fáziskülönbsége adja meg adott pont távolságát. Amennyiben ezt a mérést többször is, egy alapirányt és a vízszintes síkot is figyelembe véve megismételjük, úgy a kimeneti állomány már több, térben is elhelyezkedő pont lesz. Egy lézerszkenner akár másodpercenként 500 000 pont felmérésére is képes. A felmért pontok pontos távolságát és irányszögét ismerve ez a ponthalmaz áll össze a felmérés kimeneti állományává, azaz a pontfelhővé, így a felmért objektumot a térben a lehető legpontosabban határozva meg.

A fotogrammetriai kiértékelés ezzel szemben – bár ugyancsak pontfelhőt eredményez – másképp működik. Ha egy objektumról fotókat készítünk és ismerjük a fényképek elkészítésének pontos helyét, valamint X, Y és Z tengely mentén mérhető dőlésszögeit, úgy a fókuszponton át a kamera érzékelője és adott objektum között meghúzhatunk egy képzeletbeli egyenest – ezt az egyenest nevezzük sugárnyalábnak. Ahol egy adott ponthoz (pl. az ablak sarkához) tartozó, de több különböző fényképből származó sugárnyaláb metszi egymást, ott létrejön a térben egy pont, amit ugyancsak elhelyezhetünk a mérésünk relatív koordináta-rendszerében – ez a sztereo-fotogrammetriai eljárás alapja.

A két pontfelhő tehát egészen eltérő módon jött létre, de mégis hasonló fájlformátumban tárolhatók, és hasonló adattartalommal rendelkeznek.

A vizsgálat célja tehát az volt, hogy megállapítsuk, milyen mértékben fejthető vissza az egyes műszerek által szolgáltatott, független 3D pontfelhőkből a kézi felméréssel készült modell – azaz a távérzékelési alapokon nyugvó módszerek mennyire adnak hasonló eredményeket, mint a kézi felmérés. Ebből következtetésként leszűrhető az is, hogy a kézi módszerek mennyire pontosak, illetve ennek a fordítottja is, azaz hogy egy idealizált formákból álló modell milyen könnyen állítható elő a különböző felmérési módszerek segítségével.

Az összehasonlításban elsősorban a pontfelhők leíró paramétereinek a számítására törekedtünk és csak egy-egy épületelem esetében végeztünk részletes vizsgálatot. A lenti statisztikai leíró paraméterekből azonban következtetni lehet minden elemnél a hiba mértékére – pl. amennyiben a pontfelhő és a modell különbsége nem több, ∆-nál, úgy a két adatforrásból levezetett ablakméret sem haladhatja meg a 2∆ értéket. Azonban ebben az esetben azt kellene feltételeznünk, hogy a pontfelhő az ablakoknál rövid távolságon (egy ablakszélességen belül) két ellentétes irányba, maximális értékkel téved, aminek a valószínűsége a műszerek és eljárások technikai paramétereiből kifolyólag csaknem 0-val egyenlő. A későbbi összehasonlítás során tehát feltételezhetjük azt, hogy a pontfelhők hibája adott adattömegen (egy pontfelhőn belül) jól leírható és az adatok szórása szignifikánsan nem haladja meg egyetlen épületelemnél sem a teljes adatsorra vonatkoztatott értéket.

A modellben nem szerepelt néhány olyan épületelem (pl. egy a vezetékek tartására szolgáló kampó, ill. lefolyócső), ami a pontfelhőn megjelent. Ezek hozzávetőlegesen 30 cm-re „lógtak el” a modelltől, ami a pontfelhőtől mérhető maximális távolságot („max” érték a táblázatban) erősen befolyásolta (illetve mivel csak viszonylag kevés pontról van szó, kisebb mértékben az átlagot és a szórást is).

A vizsgálat során különböző statisztikai mutatókat számoltunk, amelyek között vannak önmagukban is értelmezhetők, valamint olyanok is, amelyek csak a referenciához viszonyítva érthetők. Ezek a pontsűrűség (pont/m2), azaz az egy m2-re eső pontok átlagos száma, valamint az egyes pontok modellhez viszonyított távolságának leíró statisztikái, azaz a minimum, a maximum, az átlag és a szórás. A kiértékelés előtt valamennyi pontfelhőt pontosan georeferáltuk (koordinátarendszerbe helyeztük), valamint az előfeldolgozás során elvégeztük azok zajszűrését is. Fontos azt is megjegyezni, hogy a Leica műszerek esetében a pontsűrűség kiemelten függ a műszer és a szkennelt objektum (pl. homlokzat) távolságától, így a pontsűrűség értéke szintén nem a műszerek, hanem csak a jelenlegi minta jellemzőit írja le.

Szembetűnő a fotogrammetriai úton előállt pontfelhők lényegesen nagyobb részletessége, amiken még a kőporos vakolat mintázata is látható. Mivel a felvételezés alig néhány méterről történt, az adatok pontossága is nagyobb, mint a lézerszkennereké – minden esetben 1 cm alatt maradva. A lézerszkennerek közül azonban egyértelműen elválik a két véglet, azaz a Leica eszközök ugyancsak 1 cm alatti, valamint a jóval gyorsabb felmérésre képes ZEB REVO átlagosan 2 cm-es modelltől való eltérése – ami mellett meg kell említeni, hogy az adatoknak több, mint 3 cm-es szórása is volt. Fontos azonban kiemelni, hogy e két eszköz mérési sebessége sem azonos. Míg a mintaként használt falfelület felmérése egy Leica szkennerrel felállással együtt több percig is eltarthat (360°-os szkennelés esetén akár jóval tovább is), addig a pontatlanabb mobil szkennerrel néhány másodperc alatt elvégezhető.

A statisztikai összehasonlítás mellett elvégeztük az egyes épületelemek vizsgálatát is, hiszen a fenti számok egyes hibákat elfedhetnek. Jellemző volt pl. minden fotogrammetriai állománynál, hogy a sík falfelületeket jól lekövették, azonban a sarkoknál elnagyoltabb eredményeket kaptunk.

A táblázatban olvasható értékekből az is látszik, hogy a pontosság összességében nagyobbnak bizonyult a fotogrammetriai állományok esetében, azonban ezt a képet árnyalja az egyes részletes elemek felmérésnek problémája. A különbség talán a függőleges vasrudakból álló korlát esetében a leglátványosabb. A statikus szkennerek sokkal határozottabb, érzékelhetőbb adatot adtak, míg a fotogrammetriai módszerrel és a mobil szkennerrel készült pontfelhőnél ezek a részletek eltűntek, a korlátnak sok vasrúdja egy objektumként jelent meg.

Következtetések

A fentiek koránt sem jelentik azt, hogy a fotogrammetriai állományok használhatatlanok lennének, hiszen több esetben (pl. az egyenes falfelületet tekintve) pontosabbak voltak. Ebben a cikkben ugyan nem térünk ki a drónos felmérések módszertanára, de módszerként javasoljuk, hogy a statikus szkenneres méréseket egy homlokzatmagasságban készült drónos fotogrammetriai mérés egészítse ki vagy a nagy részletességet igénylő objektumok (pl. szobrok) felmérését közel-fotogrammetriai (azaz max. 1 m-ről felvételezett, részletmérési célú) felméréssel végezzék el [4].

A statikus szkennerek nagy bekerülési költséggel, lassan, de mm-es pontossággal végzik a felmérést, a mobil szkenner viszonylag drágán, de gyorsan és kisebb pontossággal működik. Az egészen más technikai elven alapuló fotogrammetriai felmérések rendszerint olcsón, de nagy feldolgozási kapacitást igényelve működnek. Az eszközök közül kiemelendő az UAV-os felmérés, amelynek a legnagyobb előnye, hogy a felmérést (akár fotókat, akár pontfelhőt) a homlokzat teljes magasságában, a felvételezést a falhoz képest merőlegesen képes elvégezni, így jelentősen lecsökkenhet a kitakart részek aránya [5].

Véleményünk szerint a statikus és mobil-lézerszkennelt pontfelhő, valamint a fotogrammetria kombinálása a legideálisabb egy gyors és pontos felméréshez, amelynél a fix szkenner pontosságát, a mobil szkenner sebességét és a fotogrammetriai eljárások rugalmasságát kihasználva nagyon meggyőző eredményeket lehet produkálni – ez a tanulsága a Lechner Tudásközpontban lezajlott munkának. A három technológia együttes használata jelenleg drága, de nem elvetendő, ha a gyorsaság és a pontosság egyaránt fontos. Az, hogy melyik eszközt kívánja a felhasználó kézbe venni, kizárólag a munka célján, a kívánt pontosságon és a felmérésre szánt időn múlik [6].

A Lechner Tudásközpont 2016-ban létrejött 3D Építésügyi Módszertani Osztálya az építészeti tervezés mellett kiemelt tevékenységi területként foglalkozik az új, innovatív építészinformatikai technológiákkal, ezek meghonosításával, tesztelésével és terjesztésével, valamint az új technikai lehetőségeknek az építész tervezői praxisba illesztésével. A Tudásközpont – amelyben együtt dolgoznak építészek, CAD és BIM szakértők, valamint térinformatikusok – nonprofit szervezetként piaci érdekektől mentes, objektív információátadásra törekszik és szívesen működik együtt a terület más szereplőivel. Fontos közreműködője a teljeskörű 3D-re való átállás napjainkban zajló folyamatának, amelynek jelentősége – szakértők szerint – a kézi rajzolásról a CAD-re történt áttéréshez hasonlítható.

A felmérési adatokat lézerszkennelésben jártas cégek biztosították számunkra tesztelési célból. A Lechner Tudásközpont a továbbiakban is nyitott az együttműködésre az innovatív technológiák terén, további információ a bim@lechnerkozpont.hu címen kérhető.

A FELMÉRÉSBEN KÖZREMŰKÖDŐK

Generál tervező: LECHNER TUDÁSKÖZPONT TERÜLETI, ÉPÍTÉSZETI ÉS INFORMATIKAI NONPROFIT KFT.

Felelős tervező: Harmath Tamás

Építész munkatársak: Gecse-Záhonyi Rebeka, Hetényi Hajnalka, Leszkovszki Zsófia, Turányi József, Várnagy Szabina, Wagner Szilvia

BIM menedzser: Kari Szabolcs

Források:

[1] Dr. Déry Attila PhD: Budapest XI., Budafoki úti dohánygyár (tanulmány)

[2] Prakfalvi Endre: A ház, ahol „lakunk” – a Lágymányosi Dohánygyár épülete (www.muemlekem.hu)

[3] Várnagy Szabina, Deák Márton, Harmath Tamás, Kari Szabolcs, Katona András, Dr. Sik András, Riedel Miklós (2016): Műemléképületek lézerszkenneres 3D felmérésének módszertana és tapasztalatai. Metszet, 2016/5 (szeptember/október)

[4] Kari Szabolcs, Deák Márton: Felmérés a levegőből: UAV-k az építészetben. Tervezők lapja, 2016. július

[5] Deák Márton, Pesti Monika, Riedel Miklós, Dr. Sik András: A fototípiától a drónfelvételig: az MTA székháza. Mérnök Újság, 2017. január-február

[6] Deák Márton, Kari Szabolcs: Korszerű felmérési technológiák az építészetben fényképezőgéppel és sztereo-fotogrammetriai eljárással. Tervezők lapja, 2016. november

Megjelent a Metszet folyóirat 2017. július-augusztusi számában