Danh mục Thiết bị quét Laser
Loại Xung
Phạm vi hoạt động 0,6 m - 350 m
Độ chính xác của phép đo đơn lẻ Tối thiểu 1 – 50 m; Vị trí điểm: 4 mm; Khoảng cách: 2 mm
Độ chính xác khi đo góc Góc ngang: 6 giây; Góc đứng: 6 giây Cảm biến cân bằng Cảm biến nghiêng bù theo 2 trục
Tuỳ chỉnh hoạt động, độ chính xác 1 giây
Mật độ quét 976.000 điểm/giây
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
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 yêu cầu.
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 mòn và xuống cấp, các đô thị cổ cũng
1
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 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 u 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 tốn ở độ cao hợp lý để có thể vừa đảm bảo được chi tiết của cơng 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 qt có khoảng cách trên 300 mét hồn tồn 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 cơng nghệ xây dựng mơ hình 3D đối tượng cao cấp nhất hiện nay như kỹ thuật quét laser 3D, kỹ thuật dựng mơ hình 3D sử dụng phần mềm đồ họa cao cấp, kỹ thuật hình ảnh độ phân giải cao, kỹ thuật trích xuất thơng tin kích thước từ các mơ hình 3D…để tái hiện được một cách chính xác, đầy đủ và hồn chỉnh nhất của các bảo vật.
Đối với các bảo vật, giải pháp này đặc biệt phù hợp để áp dụng trong việc khơi phục, phục dựng lại chính xác mơ 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 qt bên ngồi 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.
Tuy nhiên kỹ thuật quét laser 3D mới chỉ giải quyết được triệt để phần hình khối kích thước khơng gian của bảo vật chứ chưa thể hiện được vẻ đẹp theo thời gian của vật liệu đồng chế tác lên các bộ bảo vật này cũng như những chi tiết chạm khắc tinh xảo trên đó. Để giải quyết phần hình ảnh nghệ thuật, tác giả sẽ sử dụng máy ảnh độ phân giải cao tích hợp sẵn trong bộ phận quang học của máy quét laser 3D để thu nhận các bức ảnh tham chiếu không gian chuẩn dựa trên mơ hình hình học 3D do máy quét laser tái dựng được, bước tiếp theo sẽ sử dụng máy ảnh DSLR chuyên nghiệp để chụp chi tiết cả chi tiết và hoa văn sau đó tích hợp cả hai nguồn ảnh này với mơ hình 3D do máy quét laser cung cấp để đưa ra mơ hình 3D cuối cùng thể hiện chân thực nhất tất cả các bảo vật.
Tất cả quy trình xử lý hình khối tốn học đối tượng, gắn kết hình ảnh với mơ hình tốn học, tính tốn 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 tồn tuyệt đối cho các hiện vật quý trong tồn bộ q trình triển khai.
Theo quy trình kỹ thuật đã kiểm chứng trong giai đoạn thử nghiệm dựng mơ hình 3D hiện vật, bắt buộc phải thực hiện tích hợp các phương pháp kỹ thuật khác nhau nhằm tạo ra mơ hình 3D cuối cùng đảm bảo những tiêu chí cơ bản dưới đây:
- Mơ hình 3D cuối cùng là mơ hình thể hiện đúng chính xác chi tiết, màu sắc, hình dạng của các hiện vật dưới định dạng 3D;
- Mơ hình đám mây điểm 3D (Point Cloud) của các hiện vật có khả năng đo đạc xác định các thơng số khi có u cầu với độ chính xác nằm trong giới hạn milimet;
- Có khả năng tích hợp mơ hình 3D đám mây điểm với mơ hình 3D hình ảnh hiển thị để tạo ra mơ hình nghệ thuật tối ưu phục vụ cho đa mục đích ứng dụng.
Hình 4.28. Mơ 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.
Số lượng khách tham quan đến các cơng trình di tích hàng ngày thường rất đông, đây cũng sẽ là vấn đề khá phức tạp trong q trình triển khai theo đó chúng ta sẽ cần có kế hoạch và phương án cụ thể trong quá trình triển khai để hạn chế tối đa ảnh hưởng của khách tham quan du lịch tới chất lượng số liệu quét laser 3D.
Một số hợp phần cấu thành của các cơng trình sẽ khơng dễ dàng cho kỹ thuật quét laser 3D, đặc biệt phải kể đến như các kết cấu được xây dựng bằng kính (trong suốt hoặc màu), các bức tượng và phù điêu chi tiết... theo đó số liệu quét thu được từ tất cả các loại máy qt laser 3D cạnh dài (khơng 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 mơ 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 nghiệm
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.
Mơ hình HBIM các cơng trình kiến trúc điển hình:
Các cơng trình kiến trúc điển hình, các cơng trình lịch sử quan trọng sẽ từng bước được chuyển đổi sang mơ 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 cơng trình được cải tạo theo nguyên mẫu.
Hình 4.30. Mơ hình HBIM tồn 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 hố, 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 động
Ưu điểm:
Máy qt 3D hồn tồn 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 cơng nghệ này chỉ cần một lần thu thập, cần áp dụng thêm các công nghệ xun đất khác;
Địa hình hang nhiều vị trí tương đối hiểm trở và khó di chuyển cũng như đặt máy nên gây khó khăn khá lớn cho nhóm khảo sát cũng như ảnh hưởng đến độ chi tiết của số liệu;
Có thể tiến hành cùng lúc: thu thập dữ liệu điểm (x,y,h) và chụp ảnh toàn cảnh khu vực đo;
Cho phép tiến hành đo vào ban đêm, vì vậy có thể thực hiện ở những nơi ẩn khuất, thiếu ánh sáng như hầm, cống ngầm, hang động, hố sâu…
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 mơ 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), mơ hình 3D, ảnh tồn cảnh, dữ liệu 2D, bản vẽ CAD, mô phỏng 3D….
Nhược điểm:
Quá trình tạo ra mơ hình 3D bằng bộ phần mềm chun dụng tương đối phức tạp, địi hỏi người thao tác phải làm thủ cơng nhiều cơng đoạn;
Với u cầu độ chính xác tọa độ địa lý cao, khó có thể thực hiện với các hệ thống máy quét phổ thông;
Kết quả mơ hình 3D được tạo ra có dung lượng lớn, nếu giảm bớt số lượng điểm đo để dung lượng nhỏ thì chất lượng mơ hình kém đi rất