4.2. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng hang động
4.2.3. Phương án đặt trạm máy và tiêu
Kiểm tra thiết bị
Việc kiểm tra và chuẩn bị ln đóng vai trị quan trọng cho một ca làm việc thực địa thu thập số liệu, giúp đảm hiệu quả làm việc, thuận tiện. Đối với công tác thu thập số liệu quét 3D bằng máy FARO Focus S350 cần đảm bảo mang theo đầy đủ các trang thiết bị và phụ kiện như hình 4.2 [69].
Hình 4.2. Trang thiết bị, phụ kiện cần kiểm tra khi đặt trạm máy và tiêu [70]
Thiết lập cấu hình máy
Tùy thuộc vào mức độ chi tiết, dạng đối tượng hay địa hình, địa vật và độ sáng tối của không gian làm việc khác nhau mà cần điều chỉnh cấu hình quét phù hợp nhất nhằm đảm bảo chất lượng số liệu đạt yêu cầu, dữ liệu thu nhận được có dung lượng khơng q lớn sẽ gây khó khăn trong q trình xử lý số liệu tại văn phịng như mật độ điểm quá nhiều sẽ làm quá tải bộ xử lý và bộ nhớ máy tính gây nên hiện tượng treo máy thường xuyên, hay ảnh quá tối hoặc quá sáng sẽ làm giảm mức độ trực quan của đối tượng làm việc.
109
Do hang động cần độ chính xác cao trong xử lý nội nghiệp vì vậy yêu cầu là phải sử dụng trực tiếp ảnh của máy quét do khi nắn ghép ảnh chụp kỹ thuật số vào có thể làm tăng thêm sai số do nắn ghép.
Cụ thể, trong điều kiện mơi trường làm việc bình thường đã triển khai tại tại các khu vực hang động, nhóm kỹ thuật đã thiết lập một cấu hình tiêu chuẩn có thể tham khảo như bên dưới đây:
- Project Name: Hangdong. - Scan file name: Hangdong_.
- Profiles: Indoor 10m; Resolution: 1/5; Quality: 4x;
Thiết lập vị trí tiêu đo
Về nguyên lý, các trạm quét ghép nối với nhau dựa vào các tiêu đo. Số lượng tiêu đo yêu cầu giữa 2 trạm quét là 5 điểm tiêu.
Hình 4.3. Bố trí trạm qt và tiêu cầu trên thực địa tại hang Đầu Gỗ Các yêu cầu kỹ thuật đối với việc đặt tiêu đo:
- Khoảng cách tiêu đến máy là dưới 15m - Các tiêu không đặt quá sát nhau
- Do hang động địa hình phức tạp, có vị trí hẹp, vị trí rộng, cần chú ý đặt tiêu
hợp lý, tại vị trí chắc chắn, khơng bị trơn, trượt để rơi tiêu - Các tiêu tránh thẳng hàng
- Trong trường hợp khó khăn q, ít nhất là 3 bóng cần nhận diện
Hình 4.4. Bố trí vị trí tiêu cầu (Spherical targets) ngồi thực địa 4.2.4. Thu thập số liệu
Đặt máy quét tại vị trí tối ưu, đặt tiêu, ghép trạm xác định tọa độ của tiêu. Nếu điều kiện ánh sáng của hang động không phải quá tốt, chủ yếu là ánh sáng do các đèn chiếu sáng từ khoảng cách xa. Đối với các vị trí ánh sáng q yếu hoặc khơng có. Máy qt sẽ chụp ảnh với màu tối hoặc khơng có màu.
Việc bổ sung thêm ánh sáng rất quan trọng trong việc thu thập số liệu hang động. Việc đánh giá chất lượng màu sắc chỉ ở mức vừa phải. Tuy nhiên việc các đối tượng cản trở như khách du lịch, người đi qua lại có thể gây nhiễu khá nhiều cho trạm quét. Cần có đánh giá chi tiết độ nhiễu để quét lại tránh thiếu số liệu vị trí quan trọng trong hang.
Việc sử dụng các máy quét có hỗ trợ HDR cao hoặc chụp ở chế độ Darkmode có thể góp phần tăng chất lượng số liệu thu thập [11].
111
Hình 4.5. Hình ảnh 3600 trích xuất từ một trạm qt laser mặt đất 4.2.5. Kiểm tra sai số ghép nối đất 4.2.5. Kiểm tra sai số ghép nối
Số liệu sau khi đi thu thập về được lưu ra máy tính, sử dụng phần mềm nắn ghép dựa vào tiêu đo. Sai số nắn ghép thể hiện chi tiết trên phần mềm và được lưu trữ lại để đánh giá cụ thể [22].
Các bước chủ yếu của quá trình xử lý nắn ghép:
- Nắn ghép các trạm quét (nhập dữ liệu, tìm các tiêu điểm liên kết trạm, nắn ghép tự động/thủ cơng, kiểm tra độ chính xác);
- Tăng chất lượng số liệu và tối ưu hóa đối tượng hiển thị; - Khai báo tọa độ địa lý /GPS;
- Màu hóa dữ liệu;
-Tạo dữ liệu mơ phỏng 3D Webshare phục vụ trình chiếu, giới thiệu sản phẩm;
- Lưu trữ và sao lưu dữ liệu.
4.2.6. Trích xuất các sản phẩm 3D thực nghiệm
Trên cơ sở số liệu đám mây điểm (Point Cloud) tổng thể của khu vực khảo sát, chúng ta có thể tạo ra rất nhiều các sản phẩm dẫn xuất khác nhau. Đối với sản phẩm của hang động, chúng ta có thể tạo ra một số sản phẩm dẫn xuất điển hình như dưới đây:
- Cơ sở dữ liệu đám mây điểm 3D thể hiện chi tiết toàn bộ khu vực khảo sát đã qua xử lý nhiễu và nắn ghép các trạm quét rời rạc:
Hình 4.6. Dữ liệu đám mây điểm khu vực thực nghiệm
- Sơ đồ hang chi tiết:
Hình 4.7. Sơ đồ khu vực thực nghiệm hang Đầu Gỗ
Mơ hình 3D từ ảnh tồn cảnh 360 độ chia sẻ qua Internet phục vụ báo cáo trực tiếp hoặc đo đạc đơn giản khi có u cầu:
Hình 4.8. Mơ hình đám mây điểm khu vực hang Đầu Gỗ
113 - Địa hình bề mặt hang động:
Hình 4.9. Sản phẩm mơ hình địa hình khu vực thực nghiệm từ phần mềm
Hình 4.10. Sản phẩm đường đồng mức khu vực thực nghiệm từ phần mềm
- Các bản vẽ solid 3D:
Hình 4.11. Sản phẩm mơ hình khối 3D khu vực thực nghiệm
- Các mặt cắt tại các vị trí cụ thể:
Hình 4.12. Sản phẩm các mặt cắt địa hình của khu vực thực nghiệm
Cuối cùng là các báo cáo đánh giá tình trạng hiện thời của các đối tượng trong khu vực khảo sát.
4.3. Thực nghiệm ứng dụng quét laser 3D mặt đối với tuyến phố cổ
4.3.1. Khu vực các tuyến phố tiến hành thực nghiệm thu thập dữ liệu
Thực nghiệm tiến hành thu thập dữ liệu bằng công nghệ quét laser mặt đất đối với 02 tuyến phố là Tạ Hiện và Đinh Liệt – quận Hoàn Kiếm thành phố Hà Nội.
Phố Tạ Hiện trong thời kỳ Pháp thuộc có tên là phố Rue Géraud được gộp lại từ những đoạn phố cũ nhưng người dân quen gọi là ngõ Quảng Lạc. Trải qua bao năm thăng trầm, con phố vẫn giữ được vẻ đẹp của Hà Nội cổ xưa. Những ngôi nhà 2 tầng liền kề được xây dựng theo kiến trúc kiểu Pháp tạo nên vẻ đẹp trầm mặc, quý phái. Khách nước ngồi thường ví phố Tạ Hiện như khu phố Khaosan nổi tiếng ở Thái Lan.
Hình 4.13. Đầu tuyến phố Tạ Hiện, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
Phố Đinh Liệt dài 180m, nay thuộc phường Hàng Bạc, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội, cách Hồ Gươm chừng 70m về hướng bắc. Phố chạy theo hướng bắc - nam, đoạn đầu nối phố Tạ Hiện tại ngã tư Hàng Bạc, cắt ngang ngõ Trung Yên và phố Gia Ngư rồi kết thúc ở ngã ba Cầu Gỗ.
115
Hình 4.14. Tuyến phố Đinh Liệt – phường Hàng Bạc, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội
Đối với đối tượng phi địa hình là các tuyến phố thì áp dụng quy trình cơng nghệ theo các bước cũng giống như đối tượng hang động, tuy nhiên chúng ta cần bổ sung và chú ý đến một số khác biệt sau:
4.3.2. Khảo sát thực địa
Đối với đối tượng phi địa hình là tuyến phố, việc khảo sát dọc tuyến trước khi thi cơng đóng vài trị quan trọng trong việc xây dựng cách thức thi công hợp lý.
Đây là đối tượng phức tạp, cần rõ yêu cầu thực tế như lên toàn bộ số liệu mặt phố hay chỉ thu thập theo dạng tuyến. Đối với mỗi yêu cầu, chúng ta cần lên phương án thi công cụ thể. Thêm vào đó việc q nhiều xe cộ đi lại hay khơng cũng ảnh hưởng đến số liệu đo.
- Lập sơ đồ tuyến:
Hình 4.15. Sơ đồ khu vực thực nghiệm tuyến phố Đinh Liệt
Đối với dữ liệu dạng tuyến, cần sử dụng phương pháp đo quét dạng tuyến. Chú ý việc di chuyển đảm bảo an toàn về phương tiện và con người.
4.3.3. Phương án đặt máy quét và thi cơng thu thập số liệu
Q trình thu thập số liệu cần xác định chính xác hệ thống tọa độ chung cho
cả dự án. Việc này rất quan trọng trong việc nắn ghép và cập nhật chính xác vị trí nếu cần cập nhật dữ liệu, khu vực mới. Ngoài ra việc này giúp cho việc tính tốn hồn cơng chính xác sau nhiều lần cập nhật khác nhau [17].
Hình 4.16. Đánh dấu điểm tiêu trực tiếp trên thiết bị để nắn ghép
Q trình này cần sự chính xác của máy tồn đạc. Các vị trí mốc dẫn tới vị trí máy quét đo bằng máy tồn đạc cần có độ sai số thấp. u cầu 1 lần cập nhật cần có tối thiểu 4 điểm đặt máy có tọa độ chi tiết.
S1 S2 S3 S4
Hình 4.17. Tên trạm máy sử dụng
Việc đo bằng máy quét cũng dựa vào phương pháp đo toàn đạc, sử dụng phương pháp đo Backside và ForeSide
Hình 4.18. Vị trí đặt tiêu so với vị trí máy quét Chọn tiêu quét quét Chọn tiêu quét
- Theo mặc định, có thể chỉ cần 3 điểm trên 2 trạm là có thể nắn chỉnh được, tuy nhiên để chính xác cao, chúng ta cần thêm 2 điểm phụ nữa trên trạm quét vì vậy cần ít nhất 5 tiêu qt để q trình ghép hồn chỉnh.
117
-Khi cần tạo thêm điểm phụ chúng ta sử dụng phương pháp chọn thủ công các điểm trùng giữa 2 trạm quét.
- Sau đó trước khi sang trạm tiếp theo cần Export và import các tọa độ của các tiêu để dùng cho trạm tiếp.
Đo trạm tiếp theo
Di chuyển máy sang trạm S2, lúc này S2 sẽ làm điểm Station, S1 làm điểm BackSight. Và sẽ có một điểm mới S3 làm điểm ForeSight
Hình 4.19. Cách thức di chuyển trạm máy quét
- Đầu tiên tạo một New Station để có thể đo trạm tiếp theo, nhập độ cao máy và Station ID là S2.
- Tiến hành chụp ảnh cho trạm này.
- Với 2 trạm đo một sẽ có 1 phần Registration để liên kết 2 trạm với nhau, ví dụ để đo lưới đường truyền kín gồm 8 điểm đặt máy thì cần 8 cái Registration nhưng đo lưới gồm 8 điểm khơng kín thì chỉ cần 7 cái Registration
Hình 4.20. Sơ đồ vị trí đặt trạm máy trên tuyến phố 4.3.4. Kiểm tra đánh giá độ chính xác và sai số nắn ghép phố 4.3.4. Kiểm tra đánh giá độ chính xác và sai số nắn ghép
Đối với đối tượng dạng tuyến, lựa chọn máy quét phù hợp là ưu tiên hàng đầu. Quét dạng tuyến sử dụng phương pháp Traverse để thực hiện.
Thơng số thiết bị phù hợp cho độ chính xác cao:
Bảng 4.1. Thông số thiết bị quét laser 3D mặt đất – Faro Focus S350
Danh mục
Loại
Phạm vi hoạt động
Độ chính xác của phép đo đơn lẻ Độ chính xác khi đo góc
Cảm biến cân bằng Mật độ quét
Một điểm hết sức quan trọng đó là việc độ chính xác ± 5mm chỉ có thể đạt được với một điều kiện tiên quyết đó là khoảng cách quét giữa các trạm quét liên tục chỉ nằm trong giới hạn từ 10m đến 15m và chỉ như vậy mới có thể đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên việc rút ngắn khoảng cách quét giữa các trạm liên tiếp cũng đồng nghĩa với việc số lượng các trạm quét tăng lên và thời gian thu thập số liệu sẽ kéo dài hơn.
Để hỗ trợ việc kiểm tra ngẫu nhiên và đảm bảo độ chính xác số liệu quét laser 3D thu được từ máy quét, tác giả sẽ sử dụng máy toàn đạc điện tử để kiểm tra, đánh giá độ chính xác. Đồng thời cũng sẽ sử dụng phần mềm chun dụng có khả năng kiểm sốt sai số của từng trạm quét trong quá trình nắn ghép.
Hình 4.21. Sai số dữ liệu quét theo tuyến 4.3.5. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm tuyến 4.3.5. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm
Sản phẩm sau khi xử lý số liệu đa dạng, tùy thuộc vào yêu cầu. Một số sản phẩm trong quá trình thử nghiệm:
- Cơ sở dữ liệu đám mây điểm 3D thể hiện chi tiết toàn bộ khu vực khảo sát đã qua xử lý nhiễu và nắn ghép các trạm quét rời rạc;
Hình 4.22. Mơ hình đám mây điểm của tuyến phố Tạ Hiện
- Mơ hình 3D đám mây điểm có gắn ảnh (màu hóa) thể hiện chi tiết hiện trạng cơng trình trong tuyến.
Hình 4.23. Mơ hình đám mây điểm (đã gán màu thực) của tuyến phố Đinh Liệt
- Mơ hình 3D từ ảnh tồn cảnh 360 độ chia sẻ qua Internet phục vụ báo cáo trực tiếp hoặc đo đạc đơn giản khi có u cầu.
Hình 4.24. Ảnh 3600 của tuyến phố Tạ Hiện
120 - Các bản vẽ CAD 2D và 3D tuyến phố.
Hình 4.25. Bản vẽ cấu trúc trên phần mềm Auto Cad của tuyến phố thực nghiệm
- Các báo cáo đánh giá tình trạng hiện thời của các đối tượng trong khu vực khảo sát.
Hình 4.26. Báo cáo trực quan của tuyến phố thực nghiệm Tạ Hiện
4.4. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng di sản văn hóa
Thực tế những năm qua cho chúng ta thấy rõ những mối đe doạ tiềm tàng và ngày càng nguy hiểm hơn mà tồn bộ các cơng trình di sản phải đương đầu. Khơng chỉ chịu sự đe doạ của tự nhiên, các cơng trình di sản đó cịn phải chống chọi với sự bào mịn theo thời gian và những tác động trực tiếp trong hoạt động thường ngày của con người. Có thể liệt kê ra đây những ví dụ điển hình như:
Lũ lụt: Các cơng trình di sản chịu tác động lớn của các trận lụt hàng năm, đặc biệt là những trận lụt lịch sử gần đây do tác động của các hiện tượng thời tiết bất thường. Có thể nói đây là mối đe doạ lớn nhất mà rất nhiều các cơng trình di sản văn hóa phải chịu hàng năm;
Bào mịn và xuống cấp: Dưới tác động của tự nhiên và con người, tất cả những gì tồn tại trên mặt đất đều chịu sự bào mịn và xuống cấp, các đơ thị cổ cũng
không phải là trường hợp ngoại lệ. Theo thời gian chúng ta đang nhận thấy ngày càng rõ hơn sự thay đổi, biến dạng của các cơng trình.
Tác động của con người: rất nhiều các cơng trình dù đặc thù là Di sản UNESCO có con người sinh sống trực tiếp, điều này cũng mang lại những thuận lợi to lớn cho Di sản, tuy nhiên nó cũng mang lại khơng ít nguy cơ đe doạ như cháy nổ, nhu cầu sửa chữa cải tạo để phù hợp với nhu cầu của cuộc sống mới hiện đại hơn …
Bên cạnh đó, chúng ta cũng chưa có những cơng cụ quản lý hạ tầng một cách hữu hiệu, các mơ hình đánh giá tác động trực quan, các phương án giải lập để đối phó với đe doạ của tự nhiên một cách hữu hiệu, các cơng cụ xây dựng hình ảnh và quảng bá thương hiệu. Thực tiễn cho thấy các cơng trình khảo cổ là những cơng trình mang tính văn hóa, lịch sử cao,...
Việc bảo tồn và số hóa các cơng trình này có vai trị rất quan trọng. Để có được số liệu chi tiết phục vụ cho việc lập cơ sở dữ liệu bảo tồn dưới dạng số thì cơng nghệ thu thập số liệu bề mặt bằng quét laser 3D mặt đất có nhiều lợi thế, thời điểm hiện tại chưa có phương án kỹ thuật và thiết bị nào có thể thay thế.
Trong phạm vi thực nghiệm, trên cơ sở quy trình cơng nghệ nêu trên tác giả tiến hành thực nghiệm thu thập các đối tượng di sản văn hóa, cụ thể là Chùa Bửu Long, thành phố Hồ Chí Minh và một số bảo vật trong chùa.
Hình 4.27. Sơ đồ thực nghiệm khu vực di tích chùa Bửu Long
Về cơ bản quy trình cũng tương tư như quét tuyến phố hay hang động, tuy