Xây dựng mô hình 3 d từ dữ liệu thu nhận bởi máy quét laser hokuyo utm 30lx trường hợp đối tượng nghiên cứu một phòng chức năng của công trình dân dụng

N ghiên u - ứ n g dụng XÂY DỤNG MƠ HÌNH 3D TỪ DỮ LIỆU THU NHẬN BỞI MÁY QUẺT LASER HOKUYO UTM 30LX: TRƯỜNG HỢP ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN c ứ u MỘT PHỊNG CHỨC NÃNG CỦA CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG PHAN THỊ ANH THƯ Trườỉĩg Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM Tóm tắt: Mơ hình 3D vật thể công cụ hữu dụng cho kỹ sư đánh giả tình trạng cơng trình Cơng nghệ laser giúp cho việc thu thập liệu dày đặc chinh xác thời gian ngan nhằm tái tạo mơ hình 3D vật thể Trong nghiên cứu này, máy quét 2D đơn tia giả thành rẻ Hokuyo UTM 30LX sử dụng để tái tạo mô hỉnh 3D đổi tượng phịng chức nhỏ Thuật tốn phát triển ngơn ngữ lập trình R để tạo đám mây điềm 3D từ liệu quét laser Máy quét ngàm khung nhôm đặt biệt có đường ray cao su nhằm giảm rung động mô tơ điều khiển cỏ thể cài đặt cảc vận tốc di chuyến khác Đe cỏ hình ảnh 3D đầy đủ phòng, máy quét phải thiết lập lần quét vị trí khác phịng nhằm thu hình ảnh đầy đủ bên phòng Hơn nữa, để đảm bảo độ chinh xác đảm mây điểm, mảy quét di chuyển vận tốc ốn định theo chiều dọc đường ray Dữ liệu thơ phịng xử lý qua thuật tốn viết ngơn ngữ lập trình R cho lần quét Bằng phần mềm CloudCompare, đảm mây điếm ghép lại với thông qua đặc điểm đổi tượng Từ đó, đám mây điếm với mật độ dàv thành lập giúp cho kỹ sư nhìn thấy tình trạng thực đơi tượng Quả trình tạo ảnh màu giả đối tượng phòng tiến hành đê tái tạo lại mơ hình 3D phòng sử dụng phần mềm Revit Do đám mây điểm dày đặc nên yêu cầu thời gian xử lý dài Từ khóa: 3D Modeỉ, point cloud, Hokuyo UTM 30LX Đặt vấn đề Cùng với phát triển xã hội nhu cầu số hóa lưu trữ thơng tin cơng trình để phục vụ cho cơng tác vận hành, tu, bảo dưỡng quản lý sở vật chất hạ tầng tăng cao Với tiển ứng dụng đại nhu cầu số hóa cơng trình hữu thành mơ hình 3D trực quan tăng lên ngày Các mơ hình 3D ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác khảo cổ học, khí, khảo sát, xây dựng dân dụng Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, công nghệ quét laser ứng dụng xây dựng mô hỉnh 3D phục vụ cho công tác quản lý liệu BIM (Building Iníormation Modeling) mục đích khác BIM viết tắt mơ hình thơng Ngày nhận bài: 21/2/2022, ngày chuyển phản biện: 25/2/2022, ngày chấp nhận phản biện: 28/2/2022, ngày chấp nhận đăng: 5/3/2022 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ s ố 51 -3/2022 47 Nghiên cứu - n g dụng tin cơng trình mơ phịng máy tính phục vụ mục đích lập kế hoạch, thiết kế, xây dựng vận hành tòa nhà BIM sử dụng rộng rãi giai đoạn thiết kế xây dựng vịng đời tịa nhà khơng sử dụng giai đoạn quản lý Tuy nhiên, với trợ giúp máy quét laser mặt đất (terrestrial laser scannersTLS) việc xây dựng nguồn thông tin đầu vào cho mơ hình BIM trở nên dễ dàng Các mơ hình 3D xây dựng cách nhanh chóng từ liệu đám mây điểm Nhiều nghiên cứu thực chứng minh tính hữu ích cơng tác xây dựng mơ hình 3D đối tượng từ liệu quét laser Cụ thể, Altunas cộng tiến hành thu liệu máy quét laser tích hợp liệu để tạo mơ hình đám mây điểm 3D bảo tàng Mevlana, Thổ Nhĩ Kỳ (Altunas cộng sự, 2016) Bên cạnh đó, sản phẩm tạo từ liệu quét laser sử dụng để đánh giá sức khỏe kết cấu bê tông thông qua phương pháp phần tử hữu hạn Việc sử dụng máy quét TLS mang lại nhiều thuận lợi việc tạo hiệu chỉnh mơ hình thành lập phương pháp phần tử hữu hạn (íinite element method - FEM) khả thu thập liệu nhanh chóng với độ xác cao Từ đó, mô thực để xây dựng mô hình hiệu quả, thuận tiện phục vụ cho cơng tác đánh giá trạng nhiều loại cấu trúc (Yang cộng sự, 2014) Máy quét laser hên mặt đất (TLS) công cụ quang học cho phép tạo biểu diễn hình học đối tượng đám mây dày đặc xác điểm 3D Thiết bị cung cấp thơng tin bổ sung, chẳng hạn giá trị phản xạ màu sắc Mặc dù chi phí cao, TLS ngày sử dụng để thực nhiều nhiệm vụ cảm biến cho 48 phép thu nhận liệu thời gian ngắn, tinh trạng đối tượng khảo sát thu ảnh chụp nhanh hình dạng chúng Hướng nghiên cứu áp dụng nhiều lĩnh vực di sản văn hóa để hỗ trợ nghiên cứu đa ngành giám sát tinh trạng tòa nhà lịch sử để hỗ trợ cơng trình cần trùng tu kiểm tra phân tích cẩu trúc (Luhmann cộng sự, 2020) Mơ hình 3D cho phép lưu trữ thông tin định lượng đổi tượng để phục vụ cho phân tính Khả có góc qt bao qt tịa nhà thay đổi quan niệm truyền thống khảo sát chi có liệu số phận quan trọng cách rời rạc Hơn nữa, lợi ích phát sinh từ khả tích hợp thơng tin hình học liệu cường độ phản xạ, để tạo mơ hình 3D có kết cấu mà màu sắc trực quan lớn Ví dụ, chúng hỗ trợ việc phân tích số điều kiện hư hỏng cơng trình xây dựng, chẳng hạn suy giảm diện độ ẩm, đối lưu khơng khí Bên cạnh đó, khơng bị giới hạn mặt tiền bên ngồi, TLS sử dụng để khảo sát phận bên tịa nhà Ví dụ, để đánh giá thiệt hại sau động đất tòa nhà (Jiao cộng sự, 2019) Một số nghiên cứu giới thiệu quy trình bán tự động để tạo mơ hình phần tử hữu hạn (FEM) từ liệu khảo sát máy qt laser tồn tịa nhà Ưu điểm vượt trội thiết bị quét laser mặt đất (TLS) khả thu thập liệu nhanh chóng với độ xác cao, cơng nghệ giữ cho tinh hạng đối tượng không bị phá hủy việc thu thập liệu tiến hành từ xa Phương pháp ưu tiên sử dụng lĩnh vực khảo cổ học khôi phục trạng cơng trình kiến trúc cổ có tuổi đời lâu năm Tuy nhiên giá TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐÔ SỐ 51-3/2022 N ghiên cứu - n g dụng thành cao vấn đề cần cân nhắc cho dự án có kinh phí thấp quy mơ nhỏ Việc dựng lại mơ hình bề mặt cơng trình từ đám mây điểm nhận từ liệu máy quét laser vấn đề nan giải, chưa giải triệt để liệu thưa thớt, chưa hoàn thiện bị nhiễu Bên cạnh đỏ, việc mơ hình hóa xác bề mặt kín vật thể có hình dáng phức tạp chưa giải triệt để vấn đề quan trọng hoạt động nghiên cứu TLS ứng dụng việc phân tích cấu trúc tịa nhà hồnh trảng đòi hỏi phát triển chuồi thao tác kết với nhằm mục đích thu liệu xác cơng trình Từ thấy, việc tách đối tượng từ mơ hình 3D tồn thể vơ cần thiết hỗ trợ nhiều cho công tác ừên Nhưng thực thủ cơng tốn cơng, tốn thời gian độ chỉnh xác không cao Do đỏ, cần thiết phải có biện pháp tách liệu giải thuật Tuy nhiên, Việt Nam chưa có nghiên cứu cụ thể cho giải thuật Vì thế, cần thực nghiên cứu phương pháp tách liệu theo đối tượng từ đám mây điểm thu nhận máy quét laser Bên cạnh lợi ích việc sử dụng máy quét laser mặt đất vấn đề chi phí thiết bị cần cân nhắc Máy quét laser 3D phương pháp đắt tiền khó tiếp cận số quốc gia Do đó, nghiên cứu nhằm mục đích khơng đưa phương pháp rẻ nhiều mà đảm bảo tính xác liệu thu thập Tác giả thử nghiệm thu thập liệu quét laser dựng mơ hình 3D trạng phịng sử dụng cách sử dụng mảy quét laser 2D, Hokuyo UTM 30LX Một mơ hình 3D đơn giản phịng tình trạng tạo trực tiếp từ đám mây điểm tạo lập, Dữ liệu thu thập phịng sử dụng cho nhu cầu đánh giá trạng phòng, thống kê tài sản kiểm tra đặc tính phịng Thu thập liệu 2.1 Mô tả hệ thểng Kỹ thuật quét laser dựa truyền nhận tín hiệu xung ánh sáng Bằng cách xác định dịch chuyển pha chùm tia laser, kỹ thuật quét laser phát thông tin khoảng cách từ máy quét đến bề mặt đối tượng cần thu nhận liệu đồng thời ghi nhận lại giá trị phản xạ Hướng truyền xung laser thay đổi nhờ chuyển động lăng kính từ đỏ ghi nhận tập điểm mô tả bề mặt đối tượng gọi đám mây điểm Thông tin đám mây điểm, bao gồm vị trí vật lý bề mặt mà tia laser “nhìn thấy”, sau sử dụng để phát thơng tin quan ừọng hữu ích cấu trúc bao gồm độ cao, bề mặt biến dạng Trái ngược với phân tích thơng thường ảnh chụp, thuật tốn tương đối đơn giản sử dụng để thao tác liệu đám mây điểm để lấy thơng tin hình học đối tượng đề cập Để thu thập liệu đám mây điểm ừong nghiên cứu này, máy quét laser đơn tia Hokuyo UTM 30LX vói bước sóng 905 nm, độ phân giải góc 0,25 độ trường nhìn 270 độ sử dụng (Bảng 1) Máy quét laser có trọng lượng nhẹ dễ dàng gắn dạng phẳng khác để thu vật thể khoảng cách tối đa 30 m Bằng cách kiểm soát chuyển động máy quét laser, đám mây điểm 3D đối tượng mục tiêu tạo Trong nghiên cứu này, thiết bị laser gắn chặt ừên khung nhơm đặc biệt bu lơng (Hình 1) Động điện (được cung cấp Pin 12V) chuyển động TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ s ó 51-3/2022 49 Nghiên cửu - ủ n g dụng máy quét với khung Máy quét cung cấp lượng cách kết nối với máy tính xách tay kết nối USB Bảng 1: Đặc điếm máy quét laser HOKUYO UTM30LX M o d e l N o U T M -3 L X N guồn B c só n g 12V D C ±10% k= 905nm K h o ả n g c ch q u ét o lm đ ế n 30m Đ ộ c h ín h xác K h oảng cách 0.1 đến lOm: ± 30m m , từ lOm đến 30m: ±5 Omni 0.25° (3 °/l ,440 điểm ) Đ ộ p h â n g iá i g ó c q u é t T ầ n su ấ t q u ét T r ọ n g lư ợ n g 25m sec/scan 370g (có cab k èm theo) Hình 1: Máy quét HOKUYO UTMĨOLXđược gắn khung nhôm di chuyến nhờ sức kéo động truyền qua dây trư)’ển động 2.2 Thu thập liệu Hình 2: Hình ảnh phịng chức sử dụng nghiên cứu 50 Hình 3: Thu thập dừ liệu phần mềm Urg Benrỉ Plus (à) giao diện phần mềm thu dừ liệu (b) hình ảnh liệu thơ bao gồm phần thông tin header củafile liệu ỉ t 1■ n (a) (b) Hình 4: Hiến thị trực quan dừ liệu quét trạm a) Hình ảnh cường độ b) Hình ảnh phạm vỉ Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công tác thu thập liệu tác giả chọn đối tượng nghiên cứu phòng chức trực thuộc môn Địa Tin Học, Khoa Kỳ Thuật Xây dựng, trường đại học Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM Bên phòng chứa nhiều đồ đạc bàn ghế (Hình 2) Với đặc thù máy quét laser 2D, tác giả thiết kế lần quét độc lập tương ứng với vị trí mặt tường phịng nhằm đảm bảo có đầy đủ đám mây điểm phòng Đối với lần quét, động đặt với tốc độ không đổi 20 mm/s máy quét laser đặt để di chuyển theo hướng thẳng đứng với trường quan sát 270 độ Máy quét kết nối với máy tính xách tay dừ liệu thu thập cách chạy chương trình Urg Benri Plus (Hình 3a) Trên giao diện, phần màu xanh minh họa giá trị khoảng cách từ vật thể đến trạm, phần màu hồng biểu thị cường độ phản xạ xung laser Hình ảnh cường độ phạm vi quét tạo lập trường chương trình phát triển ngơn TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ SỐ 51-3/2022 Nghiên cứu - ứ n g dụng ngữ R để kiểm tra sơ thơng tin thu nhận (Hình 4) Kết thí nghiệm ghi nhận thông tin liệu thô bề mặt phịng Dữ liệu thơ thu thập khó để xừ lý trực tiếp Mỗi dịng qt mã hóa riêng chứa thơng tin khoảng cách quét cường độ phản xạ điểm quét (Hỉnh 3b) cùa mơ hình Affine khơng gian xác định bao gồm thông số dịch chuyển ngang ( T x , T y , T z ) , thông số tỷ lệ ừên ba trục ( S x , S y , S z ) góc xoay ba trục (ỷ, ớ,