Zpracování mračna bodů pomocí softwaru RiSCAN PRO

Téma semestrální práce je zpracování mračna bodů pomocí softwaru RiSCAN PRO. V úvodu práce je přiblížena problematika pozemního laserového skenování. Dále je představen a popsán software RiSCAN PRO a vysvětlen pojem mračno bodů. Následuje kapitola, která popisuje zpracování mračna bodů v softwaru. V závěru je zhodnoceno zpracování mračna bodů v softwaru RiSCAN PRO.

Klíčová slova: laserové skenování, mračno bodů, RiSCAN PRO.

Pozemní laserové skenování slouží především pro vytvořeni 3D modelu složitých staveb a konstrukcí, interiérů, podzemních prostor apod., které by bylo velmi obtížné či dokonce nemožné zmapovat klasickými geodetickými metodami. Oproti běžným geodetickým metodám lze měřit s velkou přesností, rychlostí a komplexností zároveň. Jedná se o neselektivní metodu měření, při které se měří velké množství bodů umístěných v celé měřené oblasti. Tato technologie je v České republice využívána teprve několik let, avšak díky svým výhodám je stále více upřednostňována před klasickými geodetickými metodami, jako je pozemní fotogrammetrie aj. [1].

Cílem semestrální práce je vytvoření vektorového 3D modelu kaple klasicistního loveckého zámku Kozel nacházejícího se přibližně 15 km jihovýchodně od Plzně zpracováním mračna bodů získaného laserovým skenováním. Model bude tvořen pomocí softwaru RiSCAN PRO. Práce navazuje na diplomovou práci Stanislava Raucha, viz [1], který se zabýval uložením prostorových dat do geografické databáze, přičemž jako vstupní prostorová data použil architektonická a geodetická data a data pořízená laserovým skenováním.

Data pro potřeby semestrální práce poskytla společnost Georeal s.r.o.. Jedná se o projekt kaple zámku Kozel (kozel3.RiSCAN) a byla pořízena laserovým scannerem Riegl LMS-Z420i. Data byla dodána georeferencována, sesazená (z více stanovišť) a negeneralizována.

Laserový scanner Riegl LMS-Z420i je schopný v několika minutách zaměřit s milimetrovou přesností až několik milionů bodů ve svém okolí. Jedná se tedy o velice přesné a komplexní zaměření dané situace se všemi podrobnostmi a detaily plně vystihujícím danou situaci. Propojením scanneru s přesně kalibrovaným digitálním fotoaparátem lze podle [4]:

Základním výstupem z laserového měření je tzv. mračno bodů, označováno také jako point clouds. Jedná se o tisíce až miliony bodů, přičemž každý bod má souřadnice x, y, z. Souřadnicový systém je místní a jeho počátek je v místě pozice skeneru. Jednotlivé skeny z různých stanovisek lze spojit v jedno mračno specializovaným softwarem - např. Polyworks nebo RiSCAN PRO, viz obrázek č. 1. Celé mračno bodů lze transformovat do libovolného souřadnicového systému (např. do JTSK) pomocí vlícovacích bodů [3].

Obrázek 4.1. Obr. 1 Propojení měření z více stanovišť [3]

Každý bod mračna může obsahovat barevnou informaci. To může být hodnota intenzity odrazu laserového paprsku převedená do stupně šedi (x, y, z, intenzita) nebo RGB informace získaná z fotografie (x, y, z, R, G, B) [3].

Na obrázku č. 2 je ukázka mračna bodů.

Obrázek 4.2. Obr. 2 Mračno bodů [3]

Programový systém 3D - RiSCAN je určen pro sběr, vizualizaci a zpracování dat ze 3D skenerů firmy RIEGL. Umožňuje tedy předběžné zpracování dat a obsahuje software pro 3D laserové zobrazovací skenery firmy RIEGL. Program je projektově orientován. Všechna data získaná během měření jsou spravována a uložena v projektové struktuře programu RiSCAN PRO. Tato data obsahují vlastní data skenů, souřadnice daných bodů a připojovacích bodů a též všechny transformační matice nezbytné pro transformaci dat z vícenásobných skenů do společného přesně stanoveného souřadnicového systému. Navíc, pokud je laserový skener vybaven volitelnou digitální kamerou s vysokým rozlišením, mohou být rovněž takto získané obrazy pomocí programu RiSCAN PRO zapracovány do výsledného modelu [2].

Součástí základního programového balíku jsou [2]:

Program RiSCAN PRO, jeho projektová struktura a projektové soubory jsou navrženy tak, aby umožnily hladký přenos dat do velkého množství různých postprocessingových programových systémů, například Polyworks. Struktura projektového souboru je publikovaná a přesně dokumentovaná, takže umožňuje snadný přístup ke všem projektovým informacím. Ve spojení s dostupným RiSCANLib mohou být rovněž vhodným způsobem zpřístupněna veškerá skenová data [2].

V programu RiSCAN PRO je třeba si otevřít projekt, se kterým se bude pracovat. To se provede běžným způsobem - kliknutím na záložku Project se otevře dialogové okno, kde zvolíme možnost Open a následně vybereme projekt zámku Kozel, nazvaný Project, který byl dodán od Georeal s.r.o.. V levé části grafického uživatelského prostředí programu je tzv.Project Manager, ve kterém se po otevření projektu zobrazí všechna data spojená s příslušným otevřeným projektem, viz obrázek č. 3.

Obrázek 5.1. Obr. 3 Projekt Manager

Pod záložkou OBJECTS - POLYDATA se nachází mračna bodů týkající se interiéru a exteriéru zámku Kozel, označena jako interier a exterier, viz také obrázek č. 3. Na obrázku č. 4 je zobrazeno mračno bodů interiéru kaple zámku Kozel.

Obrázek 5.2. Obr. 4 Mračno bodů - kaple zámku Kozel

Postup tvorby modelu kaple je následující:

Nástin rozlišení jednotlivých objektů při vektorizaci lze vidět na obrázku č. 5.

Obrázek 5.3. Obr. 5 Rozlišení jednotlivých objektů při vektorizaci

Před samotnou tvorbou polylinií v programu RiSCAN PRO je třeba si nejprve vytvořit nebo otevřít tzv. object view a přidat objekt zájmu (v našem případě mračno bodů interiéru kaple zámku Kozel). Dále je možné tvořit polylinie dvěma následujícími způsoby:

Obrázek 5.4. Obr. 6 Ikona pro tvorbu polylinií v panelu nástrojů „3D New object“

Obrázek 5.5. Obr. 7 Tvorba polylinie

Oba dva způsoby vedou k otevření dialogového okna, ve kterém následně zadáváme:

V dialogovém okně se automaticky zaznamenávají do tabulky souřadnice uzlových bodů. Vytvořená polylinie se uloží stisknutím číslice 3 na numerické klávesnici. Dialogové okno pro tvorbu polylinie je na obrázku č. 8.

Obrázek 5.6. Obr. 8 Dialogové okno pro tvorbu polylinie

Při tvoření polylinie je možné v pravé části grafického uživatelského prostředí programu v tzv. Object inspector nastavit vlastnosti polylinie jako je její barva, tloušťka, velikost a barva uzlových bodů, viz obrázek č. 9.

Obrázek 5.7. Obr. 9 Object inspector

Po uložení se vytvořená polylinie objeví v Project Manager v záložce OBJECTS - POLYLINES, viz obrázek č. 10.

Obrázek 5.8. Obr. 10 Polylinie v Project Manager

Vytvořenou polylinii je po uložení možné exportovat. V Project Manager je třeba kliknout na polylinii pravým tlačítkem myši a po otevření dialogového okna zvolit možnost Export. Následně se objeví okno, kde lze danou polylinii uložit jako typ AutoCAD (*.dxf).

Vzhledem k velkému množství dat, která se v průběhu tvorby modelu kaple zámku Kozel zpracovávají, je vhodné mračno bodů při vektorizaci jednotlivých objektů filtrovat a pracovat s nástroji pro výběr. Kliknutím pravým tlačítkem myši na mračno bodů týkajícího se interiéru kaple zámku Kozel v tzv. Project Manager se objeví dialogové okno, ve kterém zvolíme možnost Filter data. Otevře se dialogové okno pro filtaci dat, ve kterém zvolíme jednu z nabízených možností, viz obrázek č. 11.

Obrázek 6.1. Obr. 11 Filtrace dat

Nástroje pro výběr se nachází v panelu nástrojů, viz obrázek č. 12. Nejprve se použije nástroj Selection mode, kterým ohraničíme zájmovou oblast (část mračna bodů). Dále použijeme jeden z dalších tří nabízech nástrojů, který buď skryje vybranou oblast (Hide selected area), nebo zobrazí pouze vybranou oblast (Show only selected area) nebo zobrazí opět celé mračn bodů (Show all).

Obrázek 6.2. Obr. 12 Nástroje pro výběr

Pomocí fotografií interiéru kaple zámku Kozel, které byly dodány společně s daty, byly vybrány objekty, které budou v rámci tvorby 3D modelu kaple vektorizovány. Při vektorizaci, tedy tvorbě polylinií, bude jednotlivým polyliniím vždy přiřazen název, barva a tloušťka. Polylinie určitého typu objektu budou pak mít tyto tři atributy shodné. Vektorizované objekty s atributy jejich polylinií jsou následující:

Barvy, které lze v programu RiSCAN PRO při tvorbě polylinií použít, jsou na obrázku č. 13.

Obrázek 6.3. Obr. 13 Barvy polylinií

Hlavním úkolem práce bylo vytvoření návrhu tzv. CAD modelu kaple zámku Kozel a také vytvoření jednoznačné metody tvorby objektů (jednotný způsob vektorizace všech objektů). Nejprve byla vytvořena struktura databáze - tedy CAD model, která bude následně naplňována. Jelikož jsou zdrojová data velmi objemná, je nutné při vektorizaci data filtrovat a pracovat s nástroji pro výběr. Vzhledem ke složitosti interiéru kaple zámku Kozel, velkému množstí kleneb a výstupků bude samotná vektorizace velmi náročná. Na tvorbě 3D modelu kaple zámku Kozel budu dále pracovat v rámci diplomové práce.