Zaměření skutečného stavu důlního díla Josef skenovacím systémem Leica HDS 3000

České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra speciální geodézie Zaměření skutečného stavu důlního díla Josef skenovacím systémem Leica HDS 3000 Bakalářská práce Zpracoval: Václav Smítka Praha 2007

2

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na uvedené téma vypracoval samostatně a použil jsem jen pramenů, které jsou uvedeny v seznamu použité literatury umístěném na konci textu. Václav Smítka 3

Děkuji Ing. Tomáši Křemenovi za hodnotné rady a odborné vedení během tvorby této bakalářské práce. 4

Anotace Tato práce se zabývá problematikou prezentace trojrozměrných dat získaných z měření metodou laserového skenování. V první teoretické části jsou popsány jednotlivé možnosti prezentace 3D modelů a také samotná technologie laserového skenování. V praktické části je nejprve uveden postup zpracování naměřených dat, která byla získána ze zaměření skutečného stavu Štoly Josef, a vytvoření digitálního modelu. Následně jsou v této práci popsány pracovní postupy vytvoření výstupů z jednotlivých prezentačních metod a možnosti jejich použití na internetu. Anotation This work deals with questions of 3D data presentation acquired from laser scanning measurement. In the first theoretical part there are described possibilities of data presentation and also the technology of laser scanning. In practical part there is primarly mentioned the procedure of final data processing acquired from as-built documentation of the spinal adit Josef and digital surface model creation. Subsequently there is described a process of output creation from single presentation methods and the description of possibilities concerning their Internet usage. 5

Obsah 1 Úvod... 8 2 Současný stav ve zkoumané problematice... 9 2.1 Technologie laserového skenování... 9 2.1.1 Laserový skenovací systém... 9 2.1.2 Teorie laserového skenování... 9 2.1.3 Měření metodou laserového skenování... 10 2.1.4 Zpracování měření laserového skenování... 11 2.2 Možnosti prezentace naměřených dat... 12 2.2.1 3D softwary... 12 2.2.2 Obrázky, snapshoty... 13 2.2.3 Animace, průlety... 14 2.2.4 VRML modely... 15 2.2.4.1 Historie jazyka VRML... 15 2.2.4.2 Základy jazyka VRML... 15 2.2.4.3 Software pro prohlížení a tvorbu VRML souborů... 16 3 Použité přístroje a software... 18 3.1 Skenovací systém HDS 3000... 18 3.2 Software Cyclone... 21 3.2.1 Cyclone-Scan... 21 3.2.2 Cyclone-Register... 21 3.2.3 Cyclone-Model... 21 3.3 Software Geomagic Studio... 22 3.4 Software PolyWorks/IMView... 22 3.5 Software Alteros 3D... 22 4 Měření dat... 23 4.1 Lokalita... 23 4.2 Měřické práce... 24 5 Zpracování naměřených dat... 26 5.1 Registrace a čištění dat... 26 5.2 Vytvoření trojúhelníkové sítě... 26 5.3 Vytvoření celkového modelu... 27 6 Tvorba prezentačních výstupů... 28 6.1 Vytvoření souborů pro 3D softwary... 28 6.2 Vytvoření snapshotů... 28 6.3 Vytvoření průletových animací... 29 6.3.1 Tvorba animací v softwaru Cyclone... 29 6.3.1.1 Postup tvorby... 29 6.3.1.2 Poznámky k tvorbě... 30 6.3.2 Tvorba animací v softwaru Bentley Microstation... 32 6.3.2.1 Postup tvorby... 32 6.3.2.2 Poznámky k tvorbě... 33 6.4 Vytvoření modelu ve formátu VRML... 33 6.4.1 Poznámky k tvorbě v softwaru Geomagic Studio... 34 6.4.2 Poznámky k tvorbě v softwaru Bentley Microstation... 35 6

7 Zhodnocení jednotlivých prezentačních metod... 36 7.1 3D softwary... 36 7.2 Snapshoty... 36 7.3 Animace... 37 7.4 VRML modely... 37 8 Závěr... 39 9 Použitá literatura... 40 7

1 Úvod Cílem této bakalářské práce je vytvoření 3D modelu Štoly Josef na základě zaměření jejího skutečného stavu pomocí skenovacího systému Leica HDS 3000 a popis a ukázka základních typů prezentací trojrozměrných dat, které se v současnosti využívají nejvíce. V dnešní uspěchané době se nejen v geodézii, ale ve všech odvětvích, hledají a využívají pracovní postupy a metody, které jsou zaprvé nenáročné na čas a zadruhé splňují podmínku, že celý proces nevyžaduje velký počet obsluhujících pracovníků. Oba tyto zásadní předpoklady splňuje pro naše měření laserové skenování. Tato moderní metoda sice nemá příliš dlouhou historii, ale již hojně pronikla do světa moderní geodézie a stavitelství, a to zejména pro její velkou efektivitu a kvalitní výstupní data. I když je 3D skenování již hojně využíváno, širší odborná veřejnost není s jeho tématikou seznámena v dostatečné míře. O změnu v tomto ohledu se snaží tato bakalářská práce. Jejím cílem je jednak seznámení čtenářů se samotnou technologií laserového skenování a se základními fyzikálními a geodetickými principy, na kterých je tato metoda založena, ale hlavně s popisem procesu získání a následného zpracování měřených dat. Ze všech částí tohoto procesu je pak největší důraz kladen na část výsledné prezentace, jelikož právě výsledky těchto prací jsou v praxi nejdůležitější, protože jsou výsledným produktem, který se předvádí na veřejnosti. Od kvality prezentace se odvíjí kvalita celkové práce na projektu, počínaje jeho zaměřením a konče vymodelováním. Tato práce nabízí výčet nejrozšířenějších a nejužívanějších způsobů prezentace prostorových dat, popis výhod a nevýhod jednotlivých možností a také stručný popis jejich vytváření. Jelikož je v dnešní době jedním s z největších fenoménů doby celosvětová síť Internet, je u každé popisované formy prezentace také zkoumána možnost její integrace a použitelnost právě v této síti. V praktické části této bakalářské práce, která tématicky navazuje na část teoretickou, jsou aplikovány postupy a metody popsané v teoretické části na data pořízená ze zaměření skutečného stavu Štoly Josef metodou laserového skenování. 8

2 Současný stav ve zkoumané problematice 2.1 Technologie laserového skenování 2.1.1 Laserový skenovací systém Laserový skenovací systém je systém pomocí nějž je možno převádět v prostoru umístěné předměty do počítačové podoby (počítačového modelu). Každý laserový skenovací systém je tvořen 3D laserovým skenerem, ovládacím a zpracovatelským softwarem a příslušenstvím (stativ, nástroje pro signalizace vlícovacích bodů apod.). 2.1.2 Teorie laserového skenování Laserové skenovací systémy umožňují bezkontaktní určování prostorových souřadnic, 3D modelování a vizualizaci složitých staveb a konstrukcí, interiérů, podzemních prostor, libovolných terénů apod. s mimořádnou rychlostí, komplexností a bezpečností. [1] Souřadnice se určují prostorovou polární metodou, pro níž je nutné změřit vzdálenost r bodu od skeneru a také horizontální φ a vertikální úhel θ. (obr. 1) obr. 1 Prostorová polární metoda [1] Vzdálenosti jsou měřeny pomocí laserového dálkoměru, který je schopen měřit až několik tisíc délek za sekundu. Tyto dálkoměry pracují nejčastěji na jednom ze dvou základních principů (obr. 2): impulsní - princip měření délky tranzitního času, který uběhne mezi vysláním a přijetím signálu fázový - princip měření fázového rozdílu mezi vyslaným a přijatým signálem 9

obr. 2 Princip měření pomocí laserového dálkoměru [1] Metod určení úhlů, které se v současnosti užívají, je několik. Zde budou popsány pouze ty nejčastější: úhly jsou získávány z polohy kmitajících zrcadel nebo hranolu, kterými je rozmítán laserový svazek v jednom nebo dvou směrech úhly jsou určovány z natočení servomotorů, kterými je zajišťován pohyb skeneru. Princip určení úhlů u systému HDS 3000, který byl využit při měření pro tuto práci, je kombinací výše uvedených metod. Vertikální úhel je odvozen od polohy rovinného zrcadla vychylující laserový svazek ve svislé rovině, zatímco určení horizontálního úhlu probíhá na základě natočení servomotoru, který otáčí skener kolem jeho svislé (točné) osy. 2.1.3 Měření metodou laserového skenování Měření pomocí laserového skenování je metodou neselektivní (obr. 3), tj. nevybírají se přesně jednotlivé body, které se mají zaměřit, jako je tomu např. u klasického měření pomocí totální stanice, ale definuje se část sféry, která se má skenovat, a hustota bodů. Zbytek měření probíhá automaticky dle nastavených parametrů, přičemž celou práci řídí obslužný software. Touto metodou se získává velké množství měřených bodů (často až v řádu milionů) bez ohledu na to, o jak konstrukčně významné body jde. 10

obr. 3 Rozdíl mezi selektivní a neselektivní metodou [1] 2.1.4 Zpracování měření laserového skenování Všechny měřené hodnoty se ukládají do paměti počítače, kde jsou připraveny k dalšímu zpracování. Výsledná množina všech naměřených bodů se nazývá mračno bodů (obr. 4) a je základním výstupem z laserového měření. Každý bod mračna obsahuje informaci o svých souřadnicích x, y, z, které jsou měřeny v obecně orientovaném souřadnicovém systému s počátkem v místě pozice skeneru. Je-li měření prováděno na více stanoviscích, je možné spojit jednotlivé skeny do jednoho mračna, které lze transformovat do libovolného souřadnicového systému (např. do S-JTSK) pomocí vlícovacích bodů přirozeně nebo uměle signalizovaných, u nichž známe souřadnice v obou souřadnicových systémech. Dále může každý bod mračna obsahovat barevnou informaci a to buď ve formě hodnoty intenzity odrazu laserového svazku nebo jako RGB informaci získanou z fotografie. [1] obr. 4 Mračno bodů [15] 11

Další fází zpracování měření je očištění mračna bodů a jeho případná decimace. Očištěním je myšleno odstranění bodů, které vznikly zaměřením nežádoucích předmětů či překážek nebo jsou způsobeny chybami v měření. Decimace je proces, při němž je hustota bodů v určitých místech zředěna. Jedná se zejména o tvarově pravidelné plochy a předměty, které se dobře aproximují geometrickými tělesy. Z upraveného mračna bodů (transformované, očištěné, popř. decimované) je možné vytvářet další typy výstupů pomocí speciálních softwarů nejčastěji dodávaných spolu se skenerem. Mezi ty nejzákladnější patří [10]: vektorová kresba - drátový model 3D model - princip prokládání mračna geometrickými tělesy Digitální model terénu, povrchu - tvorba pomocí trojúhelníkových sítí; možnost tvorby vrstevnic, řezů, počítání kubatur Závěrečnou etapou celého procesu laserového skenování je vizualizace výstupních modelů a jejich následná prezentace. Pod pojmem vizualizace se skrývá úprava zobrazení a osvětlení modelu a také obarvení modelu pomocí textur. Možnosti a způsoby prezentace výsledných dat budou popsány v následující kapitole. 2.2 Možnosti prezentace naměřených dat 2.2.1 3D softwary Prezentace 3D modelů pomocí softwarů umožňujících práci s trojrozměrnými daty je nejnázornější a z hlediska měřického nejhodnotnější formou prezentace, která se v současnosti používá. Nabízí uživateli absolutní volnost při prohlížení dat a poskytuje mu mnoho dalších funkcí pro práci s modelem. Tou hlavní je bezesporu možnost odměřování délek, úhlů nebo ploch, která se v geodézii a příbuzných oborech využívá velmi často. Princip tvorby této prezentační metody je velmi jednoduchý. Spočívá pouze v tom, že se soubor s vyhotoveným modelem uloží ve zvoleném 3D formátu a umístí se na určené místo (Internet, přenosná média, apod.), odkud si jej může uživatel stáhnout. Pro ukládání je vhodné volit formáty, které jsou rozšířené a v současnosti nejpoužívanější (DXF, STL, PLY, 3DS, apod.). 12

Softwary, ve kterých lze pracovat s 3D modely, je možno rozdělit do dvou kategorií: Zpracovatelské softwary - softwary, v nichž jsou zpracovávána data laserového skenování a vytvářeny soubory s modely Cyclone (Leica Geosystems) Microstation (Bentley Systéme Inc.) Geomagic Studio (Raindrop Geomagic Inc.) Univerzální prohlížeče Alteros 3D (Lighttek Software) Deep exploration (Right Hemisphere) SolidView (Solid Concepts Inc.) 2.2.2 Obrázky, snapshoty Prezentace pomocí obrázků je nejzákladnější a nejjednodušší forma prezentace 3D dat, jejíž tvorbu umožňuje prakticky každý grafický editor či zpracovatelský software laserového skenování (Bentley Microstation, Cyclone, Rapidform, apod.). Celý proces tvorby obrázku je založen na pořízení snímku (snapshotu) zpracovávaného objektu v té podobě, v jaké se právě nachází na obrazovce. Jedná se prakticky o stejný princip jako u funkce Print Screen v operační systému Windows s tím rozdílem, že se obrázek neukládá do schránky počítače, ale software jej uloží přímo do souboru ve zvoleném formátu. Formátů, do kterých je možné obrázek uložit bývá na výběr větší množství, ovšem mezi ty nejpoužívanější patří formáty BMP (Bitmap), JPEG nebo TIFF (Tagged image file format). Dalším rozdílem je skutečnost, že se nesnímá celá obrazovka, jak je tomu u funkce Print Screen, ale pouze pracovní okno programu se zobrazovaným objektem. Nesnímají se tedy místa, která nejsou pro obrázek důležitá, a obrázek nemusí být následně ořezáván (obr. 5). Existují však také některé softwary (např. Geomagic Studio), které umožňují vybrat si mezi tím zda snímat celou obrazovku či jen pracovní okno. 13

a b obr. 5 Rozdíl mezi snapshotem pořízeným funkcí Print Screen (a) a v softwaru Cyclone (b) 2.2.3 Animace, průlety Animace jsou efektní a v dnešní době hojně využívané prezentační prostředky, které poskytují velice dobrou představu o mapované oblasti či objektu. Mezi ty nejběžnější patří průlety okolo zvoleného místa nebo podél zvolené trasy (liniové stavby, tunely, apod.). Tvorba animací myšlenkově navazuje na tvorbu snapshotů, protože se v podstatě jedná o sled několika obrázků jdoucích rychle po sobě. V softwaru se tedy postupně vytvoří každý snapshot zvlášť a poté jsou tyto jednotlivé snímky (framy) spojeny do jednoho video souboru podle přednastavených atributů. Mezi tyto atributy patří hlavně formát výsledného souboru (AVI, MPEG, apod.), velikost okna, ve kterém se bude animace zobrazovat, a také typ případné komprese obrázků. Ve většině softwarů probíhá tvorba jednotlivých snímků automatizovaně. Uživatel nastaví trasu, po níž se kamera pohybuje, a zvolí počet snímků, které se mají podél této trasy vytvořit, a software poté již sám vygeneruje všechny tyto 14

snapshoty. Často bývá možnost uložit takto vygenerované snímky také ve formě obrázkových souborů a animaci dotvořit v softwaru jiném. 2.2.4 VRML modely VRML (Virtual Reality Modelling Language) je jazyk vytvořený pro popis a prezentaci obsahu virtuální reality. Tento otevřený formát definuje způsob zápisu virtuálních světů do textových souborů na rozdíl od souborů pro zápis obrázků (GIF, JPEG, apod.) nebo video souborů (AVI, MPEG, apod.) Ve VRML jsou prostorová tělesa popisována pomocí seznamu souřadnic vrcholů a plochami specifikovanými indexy svých vrcholů do seznamu vrcholů. Základní tělesa (krychle, kužel, jehlan, kužel, apod.) jsou definována speciálními klíčovými slovy, tudíž není nutné rozkládat je na trojúhelníky. Ve VRML jazyku je podporováno texturování. Z modelů VRML není možné pořizovat oměrné míry. 2.2.4.1 Historie jazyka VRML První verze jazyku VRML 1.0 byla vytvořena v roce 1995 firmou Sillicon Graphics, Inc. Spolu s první verzí vznikla i skupina programátorů VAG (Virtual Architecture Group), která začala ihned tuto verzi inovovat a připravovat požadavky na verzi novou - VRML 2.0. V roce 1997 je oficiálně přijat jazyk VRML za standard ISO a od této chvíle nese název VRML 97 (název VRML 2.0 je programátorské označení VRML 97). [17] 2.2.4.2 Základy jazyka VRML Topologie jednotlivých objektů je ve formátu VRML založena na trojrozměrných souřadnicích definovaných v pravotočivé kartézské soustavě souřadnic. Při základním zobrazování dat je tato soustava situována tak, že kladná poloosa z směřuje k pozorovateli (avatarovi) a osa y směřuje na sever. Do VRML souboru je však možné přidat i další body, ze kterých lze soustavu pozorovat. Tím vznikají nové pohledy, mezi kterými se lze libovolně přepínat. Základními jednotkami jsou ve VRML metry pro určování délky, radiány pro měření úhlů a sekundy pro určování času. Barvy jsou určovány podle barevného modelu Red Green Blue, přičemž každá barva může nabývat hodnot z intervalu <0 ; 1>. To znamená: černá barva RGB = 0 0 0 bílá barva RGB = 1 1 1 15

Přípona souborů ve formátu VRML je *.wrl. Tato přípona vznikla jako zkratka ze slova world. 2.2.4.3 Software pro prohlížení a tvorbu VRML souborů Aby bylo možné zobrazit VRML soubory v počítači je nutné mít v systému nainstalovaný prohlížeč (viewer), který převede textový zápis do obrazu grafického a umožňuje uživateli s modelem manipulovat (obr. 6). Tyto prohlížeče jsou volně šiřitelé a nejčastěji jsou koncipovány jako plug-in webových prohlížečů (browserů). Těmi nejznámější programy jsou: Cortona Klient ( Paralel Graphics, Inc. ) Cosmo Player ( Silicon Graphics, Inc. ) World View ( Internista Software, Inc. ) obr. 6 Ukázka VRML prohlížeče Cortona Klient 16

Pro tvorbu VRML souborů se užívá editorů. Tyto editory dělíme na: textové jedná se o klasické textové editory, které však dokáží strukturovaně zobrazit zdrojový kód (VRML Pad) grafické programy, ve kterých se vytváří virtuální realita přímo na obrazovce a zdrojový kód se vytváří automaticky. U těchto programů není nutné znát pravidla tvorby jazyka VRML (Rhinoceros) V současné době je možné vytvářet VRML soubory i v jiných programech než editorech. Většina softwarů pro grafickou tvorbu dokáže ukládat (exportovat) soubory do formátu VRML, avšak často nepodporují všechny vlastnosti a možnosti, které tento jazyk nabízí. 17

3 Použité přístroje a software 3.1 Skenovací systém HDS 3000 Laserový skenovací systém HDS 3000 (obr. 7) je jedním z produktů řady HDS (High- Definition Surveying) přístrojů, kterou vyrábí společnost Leica Geosystems. Tento přístroj včetně všech jeho příslušenství je přímým pokračovatelem typu HDS 2500, který je také znám pod názvem Cyrax 2500. obr. 7 Leica HDS 3000 [2] Systém HDS 3000 je opatřen skenerem panoramatického typu, který dokáže snímat body ze zorného pole o rozměrech 360 ve vodorovné a 270 ve svislé rovině. Co se týče maximální vzdálenosti, ze které je možno zaměřovat objekty, uvádí výrobce hodnotu až 120 m. Avšak při měření na takto dlouho vzdálenost není zaručena polohová přesnost určení jednotlivých bodů na snímaném objektu. Z tohoto důvodu je doporučeno volit pracovní vzdálenost do 50 m od pozice skeneru, při níž dosahuje prostorová polohová přesnost hodnoty 6mm. Pulzní laser, jímž je skener vybaven, má zelenou barvu a je zařazen do bezpečnostní třídy 3R podle IEC 60825-1. Velikost stopy, kterou laser vytváří, je při vzdálenosti 50 m menší než 6mm, což zaručuje výše uvedenou přesnost měření. HDS 3000 se při měření umísťuje na zesílený geodetický stativ se standardní Leica trojnožkou, což umožňuje provádět základní měřické procedury jako jsou centrace a horizontce na známém bodě, měření výšky přístroje a také provádění směrové orientace přístroje. Tyto vlastnosti se využijí zejména při umísťování dat do požadovaného souřadnicového systému. 18

Samotné měření je založeno na principu prostorové polární metody, při níž jsou délky měřeny výkonným laserovým impulsním dálkoměrem (princip měření tranzitního času), který je schopen změřit 4000 délek za sekundu, a směry na měřené body jsou pak odvozeny z polohy rovinného zrcadla, které vychyluje laserový svazek ve vertikálním směru, a natočením servomotorů zajišťujících horizontální otáčení přístroje. Prvotním výsledkem měření je konečná množina bodů (mračno bodů) definovaná kartézskými souřadnicemi v souřadném systému měřícího přístroje. Měřit lze v plném zorném poli skeneru - 360 x 270 (obr. 8) nebo lze vybrat pouze určitou část okolí, která bude snímána. Výběr skenovaného území se provádí za pomoci vestavěné digitální kamery a obslužného softwaru (mód QuickScan). Pomocí kamery se pořídí digitální fotografie okolí skeneru, které se ihned zobrazí na displeji notebooku. Na těchto fotografiích je poté možno definovat rozsah scény, kterou chceme skenovat. Snímky pořízené digitální kamerou se mohou dále využívat jako textury pro obarvení výsledného mračna bodů přirozenými barvami. Před započetím skenování je potřeba nastavit krok skeneru ve vertikálním i horizontálním směru na určitou vzdálenost. Tím se definuje hustota skenování. Maximální počet bodů získaný z jednoho skenu je dán součinem 20.000 x 5.000. obr. 8 Znázornění zorného pole přístroje 19

Tabulka vybraných parametrů přístroje HDS 3000 Rozměr Hmotnost Dosah Zorné pole 265 mm x 370 mm x 510 mm 16 kg 1 m 100 m 360 horizontálně x 270 vertikálně Bezpečnostní třída laseru 3R (IEC 60825-1) Polohová přesnost bodu Přesnost v měření horizontálního úhlu Přesnost v měření vertikálního úhlu Přesnost v měření délky Rychlost skenování 6 mm 0,06 mrad 0,06 mrad 4 mm až 4000 bodů / sekundu Operační teplota 0 C až 40 C Obslužný software Minimální požadavky na hardware Cyclone 1,4 GHz Pentium M 512 MB SDRAM Windows XP/2000 20

3.2 Software Cyclone Jako obslužný a zpracovatelský software ke skenovacímu systému HDS 3000 byly společností Leica Geosystems vyvinuty systémy Cyclone a CloudWorx. Základem pro celou práci se skenerem je modulární systém Cyclone TM, který provází celý pracovní proces od výběru a naskenování scén, přes spojení a orientaci mračen bodů až do vygenerování konečných produktů a jejich výslednou vizualizaci. Software Cyclone je rozdělen do 6 samostatných modulů pro různé potřeby a přizpůsobení systému. V našem případě však byly využívány pouze tři a ty zde budou podrobněji popsány. 3.2.1 Cyclone-Scan Cyclone SCAN je softwarový interface pro řízení 3D laserového skeneru Leica (Cyrax). Řídí skenovaní proces v místě objektu. Umožňuje sejmout preview (náhled) formou digitálního obrázku, zadat konkrétní výřez pro naskenování pomocí funkce ohrada, určit hustotu skenování v konkrétní vzdálenosti od přístroje, provést vlastní skenování s interaktivním prohlížením mračna a doskenovat speciální terče pro spojení a umístění mračen do souřadnicového systému. [6, 8] 3.2.2 Cyclone-Register Cyclone-REGISTER obsahuje nástroje pro orientaci mračen bodů pořízených z různých stanovisek. Provádí spojení mračen bodů pořízených z různých pozic a jejich umístění do požadovaného souřadnicového systému. Spojení mračen probíhá buďto pomocí speciálních terčů nebo pouze pomocí překrytu sousedních mračen. Pro umístění mračen je třeba, aby naskenované terče byly zároveň zaměřeny v prostorových souřadnicích klasickými metodami. Tyto terče tak slouží jako lícovací body. Po transformaci provádí modul chybovou analýzu. [6, 8] 3.2.3 Cyclone-Model Modul Cyclone-MODEL umožňuje využít mračna bodů ke zpracování do 3D objektů a jejich exportu do CAD a jiných aplikací. Stejně tak lze provést i import 3D entit z CAD a jiných aplikací. Cyclone-MODEL je převážně určen pro zpracování potrubních technologií, protože má kompletní sadu nástrojů na aproximaci mračna bodů objekty jako jsou válce, kolena, redukce, ventily, příruby apod. V jiných oborech (zeměměřictví, inženýrská geodézie, architektura atd.) a aplikacích, kde se pracuje s obecnou plochou, umožňuje tento model tvořit trojúhelníkové sítě, počítat kubatury a tvořit libovolné řezy. [6, 8] 21

3.3 Software Geomagic Studio Geomagic Studio je software umožňující zpracování dat, která byla získána metodou laserového skenování, a následné vytvoření trojrozměrného modelu. Tento software obsahuje řadu nástrojů pro práci s trojúhelníkovými sítěmi a pro tvorbu digitálních modelů povrchu a terénu, které jsou na těchto sítích založeny. 3.4 Software PolyWorks/IMView Software PolyWorks/IMView je freeware prohlížeč od firmy Innov Metric, který umožňuje zobrazovat 3D data v mnoha formátech (DXF, NAS, OBJ, PLY, POL, STL, WRL a další). Program umožňuje libovolně manipulovat se zobrazovaným modelem, měnit jeho barvy, nastavovat osvětlení či pořizovat snapshoty. Také je možné v tomto softwaru zjišťovat souřadnice jednotlivých bodů. 3.5 Software Alteros 3D Alteros 3D je prohlížeč 3D a 2D grafiky a přehrávač multimédií od společnosti Lighttek Software. Podporuje většinu typů 3D grafických souborů (3DS, MAX, VRML, TrueSpace, LightWave a další), 2D grafických souborů (PSD, PNG, TIF, JPEG, BMP, GIF), souborů videa, zvuku a DVD. Podporuje zobrazení miniatur, rotaci a změnu měřítka 3D objektů, změnu osvětlení, průhlednosti, materiálu povrchu, prohlížení v režimu prezentace, a další. [19] 22

4 Měření dat 4.1 Lokalita Štola Josef je součástí zlatorudného revíru Psí Hory, který se nachází 50 km jižně od Prahy v blízkosti Slapské přehrady mezi obcemi Čelina a Smilovice (obr. 9). obr. 9 Umístění štoly Josef Průzkumná štola Josef je vedena ve směru SSV napříč horninovým masivem Ostrý vrch. Horninové prostředí tvoří vulkanity (bazalty, andezity, ryolity), sedimenty (rohovce) a jejich kombinace (tufy, tufity), pronikané mladšími intruzívními horninami (granodiority, albitické žuly). Celková délka páteřní štoly je 1700 m, příčný průřez má velikost 14 až 16 m2. Na páteřní průzkumnou štolu navazují další liniová průzkumná díla s četnými rozrážkami sledujícími rudní struktury s napojením do dalších 2 pater. Ke vstupu do prostoru štoly slouží dva portály, od nichž jsou souběžně vedeny dva tunely. [14] 23

4.2 Měřické práce Měření ve výše popsané lokalitě probíhalo ve dvou dnech (5. 5. 2007 a 14. 5. 2007) a celková doba jeho trvání byla cca 16 hodin. Cílem zaměření bylo prvních 130 metrů páteřní štoly vedoucí od levého vstupního portálu (obr. 10) a okolí vstupních portálů a přilehlých ubikačních prostor. obr. 10 Schéma zprovozněné části území, měřená část označena žlutou barvou [14] Pro dostatečně kvalitní zmapování celého prostoru bylo měřeno z 11 stanovisek, z čehož 3 se nacházeli v prostoru před štolou a 8 v samotné tunelu. Stanoviska byla volena tak, aby z nich bylo možno zaměřit co největší území a aby překryty skenovaných scén z jednotlivých stanovisek byly dostatečně velké. Dalším kritériem pro volbu stanoviska byl počet vlícovacích bodů, které bylo možno z každého stanoviska zaměřit. 24

Vlícovací body byly signalizovány pomocí speciálních rovinných terčů s vysokou odrazivostí. Tyto terče mají čtvercový nebo kruhový tvar a jejich specifická konstrukce a užité materiály umožňují přesné určení středu a snadnou lokalizaci v mračnu bodů. (obr. 11) obr. 11 Terče pro signalizaci vlícovacích bodů [15] Postup skenování na každém stanovisku lze rozdělit do dvou částí: Skenování scény (na základě nastavených parametrů hustota bodů, rozsah zorného pole) Skenování vlícovacích bodů (speciální režim skenování s velkou hustotou bodů v okolí vlícovacího bodu označeného v obslužném softwaru v získaném mračnu bodů; výsledkem je zjištění středu vlícovacího terče) Doba trvání jednotlivých částí byla proměnlivá. U skenování scény byla ovlivněna hlavně velikostí zaměřovaného území a hustotou bodů. Při nastavení skenování celé sféry (360 x 270 ), jenž bylo využíváno v prostoru tunelu, byla doba měření přibližně 35 minut. Druhá část skenovacích prací na stanovisku zaměření vlícovacích bodů trvalo cca 30 minut, ovšem i tento údaj je pouze orientační a měnil se v závislosti na počtu vlícovacích bodů a na rychlosti lokalizace těchto bodů v mračnu. V případě, že žádný bod mračna nepadl na vlícovací terč (z důvodu malé hustoty měření), bylo nutné provést doskenování nejbližšího okolí vlícovacího bodu, což opět prodlužovalo dobu měření. 25

5 Zpracování naměřených dat V této části bude popsáno zpracování dat naměřených pouze v prostoru štoly. Zpracování dat a vytvoření 3D modelu ze zaměření vstupního portálu je popsáno v bakalářské práci T. Koreckého. Pro výslednou prezentaci je užito spojených modelů z obou bakalářských prací. Všechny vytvořené soubory jsou uloženy na přiloženém CD. 5.1 Registrace a čištění dat Mračna ze všech 11 stanovisek byla spojena v softwaru Cyclone do jednoho výsledného mračna. Transformace jednotlivých mračen do výsledné souřadnicové soustavy probíhala na základě zaměření vlícovacích bodů. Chyba registrace byla 0,006 m. Protokol o registraci mračen je umístěn na přiloženém CD. Výsledné mračno bylo nutné očistit o body, které nebyly žádoucí pro vytvoření modelu. Jednalo se o body, které nebyly součástí samotného povrchu štoly (vnitřní vybavení - světla, nosné lišty, vozíky, ). Očištěné mračno bylo následně exportovány do textové souboru (formát XYZ). Tento formát byl vybrán proto, že má poměrně dobrou kompresi a lze ho importovat do softwaru pro tvorbu trojúhelníkové sítě. Vytvořené soubory: ocistene_mracno.xyz 5.2 Vytvoření trojúhelníkové sítě Digitální model povrchu štoly byl vytvořen na základě trojúhelníkové sítě. Metoda trojúhelníkové sítě byla zvolena proto, že věrně zobrazuje členitý povrch štoly, který je nemožné proložit jakýmkoli pravidelným tělesem. Trojúhelníková síť pro účely této práce byla vytvořena v softwaru Geomagic Studio 8. Před jejím vypočtením bylo provedeno zředění bodů mračna importovaného ze Cyclone za účelem smazání rozdílů v hustotách zaměření jednotlivých částí tunelu. K tomuto účelu byla použita funkce Uniform Sample. Výsledná trojúhelníková síť byla po úpravě (odstranění děr) exportována do formátu STL. Tento formát je určený pro uložení těles reprezentovaných polygony a pro účely této práce slouží jako převodní formát mezi používanými softwary Geomagic Studio a Bentley Microstation. 26

Vytvořené soubory: sit_stola.stl sit_stola.wrp Tabulka vybraných parametrů trojúhelníkové sítě Počet bodů po očištění 8 616 810 Hodnota funkce Uniform Sample 5 cm Počet bodů po zředění 514 880 Počet trojúhelníků ve výsledné síti 849 968 Velikost souboru ocistene_mracno.xyz 250 MB Velikost souboru sit.stl 135 MB 5.3 Vytvoření celkového modelu Trojúhelníková síť tvořící povrch štoly a model vstupního portálu (vytvoření viz Korecký) byly spojeny v softwaru Cyclone, čímž vznikl celistvý model, nad kterým se vytvářely jednotlivé formy prezentace. Aby bylo možné importovat trojúhelníkovou síť do Cyclone, bylo ji nejprve nutné převést do softwaru Microstation pomocí formátu STL (viz kapitola 5.2). V tomto softwaru byla trojúhelníková síť uložena do souboru ve formátu COE, což je výměnný formát mezi softwary Microstation a Cyclone. Celkový model portálu a štoly byl v softwaru Cyclone exportován do formátů COE a DXF. Tyto formáty sloužily jako převodní formáty do softwaru Microstation, resp. Geomagic. Vytvořené soubory: sit_stola.coe cely_model.coe cely_model.dxf Tabulka vybraných parametrů trojúhelníkové sítě Velikost souboru sit_stola.coe Velikost souboru cely_model.coe Velikost souboru cely_model.dxf 13,2 MB 13,8 MB 270 MB 27