Thực tế những năm qua cho chúng ta thấy rõ những mối đe doạ tiềm tàng và ngày càng nguy hiểm hơn mà toàn bộ các công trình di sản phải đương đầu Không chỉ chịu sự đe doạ của tự nhiên, các công trình di sản đó còn phải chống chọi với sự bào mòn 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 công 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 công trình di sản văn hóa phải chịu hàng năm;
Bào mòn 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 mòn và xuống cấp, các đô thị cổ cũng
Bên cạnh đó, chúng ta cũng chưa có những công cụ quản lý hạ tầng một cách hữu hiệu, các mô 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 công cụ xây dựng hình ảnh và quảng bá thương hiệu Thực tiễn cho thấy các công trình khảo cổ là những công trình mang tính văn hóa, lịch sử cao,
Việc bảo tồn và số hóa các công trình này có vai trò 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 công 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 công 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 nhiên cần lưu ý các điểm sau:
4 4 1 Khảo sát thực địa và phương án thi công
Qua khảo sát hiện trạng và quét thử nghiệm số liệu tại Chùa Bửu Long, tác giả nhận thấy buộc phải sử dụng tới thang nâng (hoặc UAV) nhằm đảm bảo phủ trùm số liệu cũng như độ chính xác theo yêu cầu
Có thể lấy một ví dụ điển hình để thấy rõ việc cần thiết phải sử dụng tới thang nâng và tăng số trạm quét Tường xây của chùa rất dày, theo đó hèm cửa sổ cũng đặc biệt sâu và có kết cấu khá phức tạp, nếu chỉ sử dụng các trạm quét mặt đất, chắc chắn sẽ không thể làm nổi bật và đầy đủ hết các góc cạnh của các cửa sổ của Chùa Tương tự như vậy là hệ thống mái vòm và các họa tiết bên trong Chùa, gác chuông và nhiều hợp phần cấu thành khác được đặt trên cao Việc sử dụng thang nâng sẽ được tính toán ở độ cao hợp lý để có thể vừa đảm bảo được chi tiết của công trình, độ chính xác đồng thời vẫn đảm bảo được an toàn cũng như thời gian triển khai
Với chiều cao lên tới hơn 60m, việc sử dụng máy quét có khoảng cách trên 300 mét hoàn toàn có thể phủ trùm đối tượng, tuy nhiên làm giảm mức độ chi tiết
4 4 2 Quá trình thu thập dữ liệu chi tiết bảo vật tại các di sản văn hóa
Sử dụng kết hợp một số kỹ thuật công nghệ xây dựng mô hình 3D đối tượng cao cấp nhất hiện nay như kỹ thuật quét laser 3D, kỹ thuật dựng mô hình 3D sử dụng phần mềm đồ họa cao cấp, kỹ thuật hình ảnh độ phân giải cao, kỹ thuật trích xuất thông tin kích thước từ các mô hình 3D…để tái hiện được một cách chính xác, đầy đủ và hoàn chỉnh nhất của các bảo vật
Đối với các bảo vật, giải pháp này đặc biệt phù hợp để áp dụng trong việc khôi phục, phục dựng lại chính xác mô hình của các bảo vật Theo đó các trạm quét laser 3D sẽ được thực hiện cả bên trong và bên ngoài của các đối tượng, đồng thời phải tìmđược phương án kết nối kết quả quét bên ngoài và bên trong để từ đó trích xuất được chính xác các chi tiết kỹ thuật cấu thành, kích thước chính xác nhất của bất kỳ hợp phần nào gắn liền với đối tượng và chỉ khi đó các báo cáo kỹ thuật mới được thể hiện một cách đầy đủ, chính xác và thuyết phục dựa trên kỹ thuật đo cao cấp với hàng trăm triệu điểm đo
nghiệp để chụp chi tiết cả chi tiết và hoa văn sau đó tích hợp cả hai nguồn ảnh này với mô hình 3D do máy quét laser cung cấp để đưa ra mô hình 3D cuối cùng thể hiện chân thực nhất tất cả các bảo vật
Tất cả quy trình xử lý hình khối toán học đối tượng, gắn kết hình ảnh với mô hình toán học, tính toán trích xuất thông tin kỹ thuật về sau…được tiến hành thông qua việc sử dụng các phần mềm đặc biệt được thiết kế riêng cho lĩnh vực ứng dụng mang tính đặc thù cao này Thực tiễn triển khai cho tác giả thấy rõ rằng không thể sử dụng một phần mềm đơn thuần là sẽ giải quyết được các bài toán phức tạp đã nêu ở trên, bắt buộc phải sử dụng một tập hợp các phần mềm chuyên dụng để có được kết quả cuối cùng như mong muốn Các phần mềm điển hình gồm FARO SCENE, GEXCEL JRC Recontructor, LFM Pointcloud Management, AutoDesk 3D…
Qua khảo sát thực tế các bảo vật, để quá trình triển khai diễn ra an toàn, thuận lợi và đảm bảo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật phức tạp đã đề ra, tác giả cũng đề xuất một số điểm như dưới đây:
- Làm vệ sinh sạch sẽ tất cả các bảo vật Tạm thời dỡ bỏ hàng rào bảo vệ, các hợp phần gây ảnh hưởng tới quá trình triển khai thu thập số liệu thực địa cũng như chất lượng số liệu thu và hoàn trả sau khi kết thúc nhiệm vụ;
- Sử dụng phương tiện nâng trong quá trình triển khai thu thập số liệu;
- Dưới sự giám sát chặt chẽ của các cán bộ kỹ thuật Trung tâm Bảo tồn Di tích và trụ trì chùa, đảm bảo an ninh và an toàn tuyệt đối cho các hiện vật quý trong toàn bộ quá trình triển khai
Theo quy trình kỹ thuật đã kiểm chứng trong giai đoạn thử nghiệm dựng mô hình 3D hiện vật, bắt buộc phải thực hiện tích hợp các phương pháp kỹ thuật khác nhau nhằm tạo ra mô hình 3D cuối cùng đảm bảo những tiêu chí cơ bản dưới đây:
- Mô hình 3D cuối cùng là mô hình thể hiện đúng chính xác chi tiết, màu sắc, hình dạng của các hiện vật dưới định dạng 3D;
- Mô hình đám mây điểm 3D (Point Cloud) của các hiện vật có khả năng đo đạc xác định các thông số khi có yêu cầu với độ chính xác nằm trong giới hạn milimet;
- Có khả năng tích hợp mô hình 3D đám mây điểm với mô hình 3D hình ảnh hiển thị để tạo ra mô hình nghệ thuật tối ưu phục vụ cho đa mục đích ứng dụng
Hình 4 28 Mô hình Phật Bà Quan Âm nghìn mắt nghìn tay – chùa Bút Tháp
4 4 3 Kiểm tra dữ liệu các trạm máy tại thực địa
Kỹ thuật quét laser 3D chịu ảnh hưởng lớn của các đối tượng chuyển động khi thiết bị đang làm việc Vì vậy sẽ phải tiến hành hạn chế tạm thời các đối tượng di chuyển tới gần khu vực hoạt động của máy quét, đây là nhiệm vụ hết sức quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng số liệu thu được cũng như tính thẩm mỹ của các dạng số liệu liên quan khác như ảnh chụp toàn cảnh
tất cả các loại máy quét laser 3D cạnh dài (không riêng gì với máy quét FARO FOCUS3D S350) khó thể hiện một cách chi tiết các cấu trúc này Tác giả sẽ sử dụng kết hợp với kỹ thuật chụp đo vẽ ảnh để bổ sung số liệu cho các đối tượng đặc biệt này để có thể làm nổi bật những đối tượng và hợp phần mang tính nghệ thuật
Các mô hình 3D mang tính mỹ thuật cao có thể được sử dụng cho nhiều mục đích ứng dụng sau này, tuy nhiên đây chỉ là đề xuất mang tính chủ động từ phía tác giả đưa ra và cần sự cho phép cũng như các điều kiện triển khai trong thực tiễn để có thể đưa ra các mẫu thử nghiệm và kiểm tra chất lượng
4 4 4 Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệmCơ sở dữ liệu 3D: Cơ sở dữ liệu 3D:
Có thể coi đây là cơ sở dữ liệu bảo tồn di sản dưới dạng số hoàn chỉnh, là nền tảng để tạo ra các sản phẩm dẫn xuất, sản phẩm ứng dụng đa dạng
Mô hình HBIM các công trình kiến trúc điển hình:
Các công trình kiến trúc điển hình, các công trình lịch sử quan trọng sẽ từng bước được chuyển đổi sang mô hình HBIM (Historical Building Information Modeling) phục vụ cho công tác sửa chữa, cải tạo, nâng cấp và trùng tu Theo dõi trong cả quá trình xây dựng để đảm bảo công trình được cải tạo theo nguyên mẫu
Hình 4 30 Mô hình HBIM toàn cảnh khu thực nghiệm chùa Bửu Long
4 5 Đánh giá ưu, nhược điểm của công nghệ quét laser mặt đất đối với từng đối tượng phi địa hình
Qua quá trình thực nghiệm thu nhận dữ liệu các đối tượng phi địa hình cụ thể là đối tượng hang động, tuyến phố và các di sản văn hoá, tác giả có một số nhận xét chính về ưu và nhược điểm như sau đối với từng đối tượng cụ thể như sau:
4 5 1 Đối với đối tượng là hang độngƯu điểm: Ưu điểm:
Máy quét 3D hoàn toàn có thể thu thập tương đối địa hình hang động với độ chính xác cao và chi tiết những gì nhìn thấy;
Do chỉ thu thập dữ liệu nhìn thấy nên việc áp dụng công nghệ này chỉ cần một lần thu thập, cần áp dụng thêm các công nghệ xuyên đất khác;
Quá trình nắn, ghép trạm đo, xử lý số liệu được tiến hành gần như tự động vì vậy cho kết quả nhanh và chính xác;
Sử dụng tiêu đo để nắn ghép mô hình nên thiết bị có thể đặt bất cứ vị trí nào có thể nhìn thấy đủ số tiêu yêu cầu;
Có thể đưa ra nhiều loại sản phẩm cùng một kết quả đo, một lần đo: Dữ liệu 3D dạng đám mây điểm (PointClouds), mô hình 3D, ảnh toàn cảnh, dữ liệu 2D, bản vẽ CAD, mô phỏng 3D…
Nhược điểm:
Quá trình tạo ra mô hình 3D bằng bộ phần mềm chuyên dụng tương đối phức tạp, đòi hỏi người thao tác phải làm thủ công nhiều công đoạn;
Với yêu cầu độ chính xác tọa độ địa lý cao, khó có thể thực hiện với các hệ thống máy quét phổ thông;
Kết quả mô hình 3D được tạo ra có dung lượng lớn, nếu giảm bớt số lượng điểm đo để dung lượng nhỏ thì chất lượng mô hình kém đi rất nhiều Điều này ảnh hưởng đến quá trình hiển thị dữ liệu trong các phần mềm mô phỏng 3D và thành lập bản đồ 3D;
Máy tính đòi hỏi cấu hình lớn (bộ nhớ RAM 16GB trở lên)
Tuy nhiên, những nhược điểm này sẽ dần dần được khắc phục khi chúng ta làm chủ được công nghệ
4 5 2 Đối với đối tượng là tuyến phốƯu điểm: Ưu điểm:
Máy quét có thể thu thập dữ liệu các mặt nhà trên tuyến phố với độ chính xác cao và đầy đủ chi tiết;
Việc sử dụng quy trình quét tuyến phố không cần sử dụng các tiêu đo, thời gian quét tuyến phố sẽ nhanh và đơn giản hơn trong việc xử lý nội nghiệp
Nhược điểm:
Do máy quét chỉ quét được ở dưới mặt đất, nên không thể thu thập được các đối tượng trên cao, chính vì vậy vẫn cần hỗ trợ thêm các phương pháp thu thập số liệu từ trên cao;
Tùy từng ứng dụng, số trạm máy sẽ tăng lên Nếu yêu cầu thể hiện chi tiết từng mặt nhà, cần giảm khoảng cách các trạm máy để tăng thêm số liệu thu thập;
Phương pháp quét theo tuyến phố cần sự hỗ trợ của máy toàn đạc độ chính xác cao để đưa về hệ tọa độ chuẩn, tuy nhiên làm tăng thời gian thực hiện ở một trạm máy
4 5 3 Đối với đối tượng là di sản văn hóa và bảo vậtƯu điểm: Ưu điểm:
Trong bảo tồn di sản, dữ liệu được số hóa là các di sản có kiến trúc đặc biệt, khác so với kiến trúc hang động hay tuyến phố Các dữ liệu cần chi tiết hóa chính xác Việc áp dụng công nghệ quét laser là yêu cầu bắt buộc;
Việc quét di sản có thể dùng nhiều phương pháp, kể cả kết hợp các quy trình của hang động và tuyến phố;
Khác biệt với quét hang động hay tuyến phố là số trạm quét dầy hơn nhiều, màu sắc của quét di sản cũng là ưu tiên hàng đầu Vì vậy yêu cầu cần thiết bị có khả năng chụp ảnh chất lượng cao hoặc thiết bị chụp ảnh chuyên dụng, bổ sung thêm đèn nếu cần thiết
hang động hay tuyến phố không cần tới
4 5 4 So sánh các bước trong quy trình quét các đối tượng phi địa hình
Sau quá trình thực nghiệm thu thập dữ liệu của 3 loại đối tượng phi địa hình theo quy trình tổng quát, tác giả đưa ra những bước kèm theo thiết bị bổ sung cần thiết đối với từng loại đối tượng nêu trên, chi tiết trong bảng sau:
Bảng 4 2 Bảng so sánh quy trình quét các đối tượng phi địa hình
Quy trình Hang động Tuyến phố Di sản
Chuẩn bị lưới Nếu cần Có Nếu cần
Xây dựng mốc Không Có Nếu cần
Sử dụng thiết bị chiếu sáng kèm theo Cần Không cần Cần Sử dụng thiết bị chụp ảnh chuyên
dụng Không cần Nếu có Cần
Sử dụng tiêu đo Cần Không cần Cần hoặc
không
Sử dụng phương pháp đo tuyến Không Cần Có thể
Mật độ trạm dầy Không Không Có
Kết hợp bay chụp Không Có Có
Nắn ghép tự động Không Có thể Có thể
Yêu cầu độ chính xác cao Không cần Cần Cần
Yêu cầu sản phẩm pointcloud Có Có Có
4 6 Ứng dụng của sản phẩm
Là cơ sở dữ liệu nền tảng sử dụng để so sánh với mô hình 3D quét sau này;
Đánh giá biến dạng và những thay đổi của công trình;
Sao chép mô hình sang các công trình kiến trúc đã bị phá huỷ;
Đo vẽ phục vụ công tác quy hoạch phát triển trong tương lai;
Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho mục đích quản lý toàn bộ dưới dạng số trên nền tảng máy tính và kết nối mạng
Tiểu kết Chương 4
Thiết bị quét là công cụ đắc lực đối với việc thu thập số liệu cho các đối tượng phi địa hình Máy quét có thể sử dụng kết hợp với nhiều công cụ khác để tạo ra sản phẩm tối ưu với từng đối tượng Tuy nhiên tùy từng đối tượng cần có những quy trình khác nhau, có đối tượng có thể cần đến độ chính xác tọa độ địa lý cao, có đối tượng không cần đến tiêu để nắn ghép, có đối tượng cần sử dụng tiêu đo để tăng cường độ chính xác nội bộ
Kết quả của chương này đã khẳng định khi thu thập dữ liệu các đối tượng phi địa hình khác nhau cần phải có những quy trình kỹ thuật linh hoạt đồng bộ với giải pháp công nghệ thích hợp (thiết bị phù hợp) nhằm ứng dụng thành công hệ thống quét laser mặt đất và đáp ứng tức thời về nhu cầu khai thác cơ sở dữ liệu trong khảo sát các đối tượng phi địa hình
Quy trình công nghệ nêu trên phù hợp và đáp ứng khả năng ứng dụng có hiệu quả trong khảo sát đối tượng phi địa hình Từ đó rút ngắn thời gian thực hiện, giảm