Skanowanie laserowe 3D w odległym Nepalu

Leica RTC360 na dachu Samling Gompa – Źródło: Peter Bauer

Świątynia Nezarastoi w wiosce Bijer od ponad dziewięciu wieków i jest jednym z najstarszych klasztorów buddyjskich poza Tybetem. Bijer, z obecną populacją 250 osób, znajduje się w odległym regionie Upper Dolpo w Nepalu; obszar, który jeszcze dwa wieki temu należał do Tybetu. Oprócz gompy (konstrukcji do medytacji i nauki) istnieją dwadzieścia dwie stupy: pomniki nagrobne w kształcie kopca (miejsce pochówku lub komora na przedmioty religijne). Jest to jedno z kilku podobnych miejsc zmapowanych – i wymodelowanych w 3D – podczas niedawnej dwumiesięcznej ekspedycji akademickiej.

Wspólna wyprawa, kierowana przez Instytut Geodezji Inżynierskiej i Systemów Pomiarowych oraz Instytut Teorii Architektury, Historii Sztuki i Kulturoznawstwa Uniwersytetu Technicznego w Grazu (TU-Graz) Austria, była częścią trwającego projektu Austriackiej Fundacji Nauki (FWF): “Architektura buddyjska w zachodnich Himalajach”. Mając na celu wspieranie badań nad zrozumieniem ewolucji stylów i technik architektonicznych na przestrzeni dziejów, dodanie danych ze skanowania laserowego 3D w wysokiej rozdzielczości dostarczyło szczegółów i spostrzeżeń niedostępnych dotychczas dla badaczy.

Zespół wewnątrz świątyni Nezar. Z lewej: Helmut Woschitz, Carmen Auer i Peter Bauer – źródło: Peter Bauer

Pakowanie 

„Aby dotrzeć do wiosek Górnego Dolpo, trzeba wsiąść w dwa samoloty, a następnie sformować karawanę; wędrując z jucznymi mułami przez kilka dni” – powiedział Peter Bauer, asystent uniwersytecki i doktorant na TU-Graz. Chociaż w przeszłości istniały pomiary tych miejsc, były one wykonana taśmą i zanotowane ręcznie lub w najlepszym razie wykonane tachimetrem. Kiedy wspólna ekspedycja ogłosiła, że użyje skanera laserowego i drona, spotkało się to z dużym entuzjazmem badaczy.

Dotarcie do świątyń wymagało dwóch lotów samolotem i czterech do pięciu dni wędrówki w karawanie pieszo, z jucznymi mułami – źródło: Peter Bauer

“Musieliśmy bardzo ostrożnie planować, jaki sprzęt i instrumenty zabrać ze sobą” – powiedział Bauer. “Skaner Leica RTC360 był naszym wyborem, ponieważ jest łatwy w transporcie i bardzo lekki - i był dobrym kompromisem między Leica ScanStation P50 - za dużym na tę wyprawę - i Leica BLK360. BLK360 byłby świetny do skanowania wnętrz, ale stwierdziliśmy, że RTC360 jest znacznie lepszy do rozległych skanów zewnętrznych, które musielibyśmy wykonać.”

Teksturowany model 3D świątyni Gamotsche  – źródło: Peter Bauer

Zrób to dobrze za pierwszym razem 

Podczas gdy przechwytywanie rzeczywistości i modelowanie 3D stały się powszechne, ten nepalski projekt jest przykładem niezwykłości. Kluczem do przezwyciężenia wielu wyzwań była moc funkcji do rejestracji w terenie i kontroli dokładności na miejscu aplikacji Leica Cyclone FIELD 360 na urządzenia mobilne. Zespół projektowy miał jedną szansę, aby zrobić wszystko dobrze, a zastosowane przez nich rozwiązania robiły różnicę.

Ten 2-miesięczny projekt był realizowany na obszarach o ograniczonej dostępności energii elektrycznej i braku Internetu; luksusów, które dla większości specjalistów działających w branży są oczywistością. Z pomocą Cyclone FIELD 360 skany były stopniowo rejestrowane podczas przechodzenia między stanowiskami. Na każdym etapie projektu wykorzystywano oprogramowanie Cyclone REGISTER 360 PLUS na laptopie.

Porównaj to ze starszymi metodami: pomiary ad hoc z taśmami, szkicami, tachimetrami i notatkami terenowymi; wszystko do skompilowania i przeanalizowania po fakcie. Nawet jeśli używane są starsze skanery, mogą istnieć dalsze kroki w celu zarejestrowania chmury punktów i wyboru tarcz. Te kroki były w większości wykonywane później w biurze. Oznaczało to, że błędy i pominięcia nie zostałyby wychwycone w terenie, ale po przeanalizowaniu danych w biurze, co wiązało się z powrotem w teren. W przypadku tego projektu skanowania w Nepalu powrót nie był praktycznym rozwiązaniem — wszystko musiało się udać za pierwszym razem.

Wspólna płaszczyzna

Pierwszym krokiem przed skanowaniem było ustanowienie punktów kontrolnych jako podstawy dla stanowisk skanera oraz celów powietrznych. „Było to bardzo ważne, ponieważ te miejsca miały być również badane pod kątem stabilności strukturalnej” – powiedział Bauer. "Musieliśmy uchwycić elementy nośne: ściany, kolumny i filary. I bardzo dokładnie w stosunku do wszystkich innych elementów konstrukcyjnych.” W każdym miejscu znajdowało się około 50 stanowisk do skanowania wnętrza każdego klasztoru, a kolejne 50 na zewnątrz, pozyskując około 3,5 GB danych chmury punktów dla każdym stanowisku.

Tymczasowe biuro terenowe w świątyni Nezar (Rowerzysta) - źródło: Peter Bauer

Członek zespołu, Carmen Auer, dokumentuje świątynię Nezar za pomocą zdjęć zrobionych tabletem Samsung S6 w celu połączenia z aplikacją Cyclone FIELD 360 – źródło: Peter Bauer 

“Dzięki Cyclone FIELD 360 mogliśmy automatycznie rejestrować skany ze sobą, gdy przechodziliśmy między stanowiskami” – powiedział Bauer. „I oznaczać cele w terenie, co bardzo pomogło w końcowym opracowaniu danych, ponieważ po prostu nie musieliśmy od razu importować wszystkich innych zbiorów danych.” Później zespół tworzył modele siatkowe i teksturowane modele siatkowe, aby przekazać je architektom w celu przeprowadzenia badań strukturalnych, którzy ładowali modele do własnego oprogramowania w celu analizy. „Możliwość eksportowania plików danych w standardowym formacie dobrze sprawdziła się podczas realizacji naszego głównego celu” — powiedział Bauer. „Tworzenie modelu 3D, a następnie wielu pochodnych.”

Rejestracja w terenie skanów Gamotsche za pomocą Cyclone REGISTER 360 PLUS – źródło: Peter Bauer

Były obawy dotyczące oświetlenia, ponieważ konstrukcje nie były dobrze doświetlone. „RTC360 mógł uchwycić wiele szczegółów, nawet przy ograniczonym oświetleniu, ale potrzebowaliśmy tylko trochę większego wzmocnienia światła” - powiedział Bauer. „Każdy z nas miał przy sobie latarki na hełmach. Umieszczając nad nimi plastikowe bąbelki rozpraszające wiązkę, otrzymaliśmy dokładnie to, czego potrzebowaliśmy.”

Peter Bauer odpoczywa pod statywem, aby uniknąć bycia częścią chmury punktów – źródło Peter Bauer 

Łączenie kultur

Są to jedne z najświętszych miejsc w regionie, o głębokim znaczeniu kulturowym oraz poczuciu tożsamości i dumy dla lokalnych mieszkańców. Podczas gdy odwiedzający badacze są w większości witani bardziej przyjaźnie niż turyści, zespół musiał postępować z szacunkiem i na przykład zapewniać mieszkańców, że skany nie będą zawierać wrażliwych szczegółów. „Wystąpiły problemy z kradzieżami w niektórych miejscach, a miejscowi nie chcą, aby cenna zawartość ich świątyń była rozpowszechniana na całym świecie” – powiedział Bauer. „Ponieważ byliśmy w stanie szybko pokazać modele 3D, miejscowi zaczęli postrzegać to jako doskonałe narzędzie do dokumentowania i ochrony ich dziedzictwa.” 

Lokalni mieszkańcy byli pod wrażeniem teksturowanych modeli 3D i uznali to za cenne źródło informacji pomocne w inwentaryzacji i ochronie ich skarbów kultury – Źródło: Peter Bauer

„Lokalna społeczność była pod wrażeniem możliwości latania w modelu 3D, a nawet oglądania rzeczy z góry” - powiedział Bauer. Łącząc się podczas skanowania i ustalając wspólny cel, zespół mógł być częścią lokalnego życia. „Pobyt w świątyni, wspólne siedzenie w kuchni, obserwowanie, jak ludzie przychodzą i odchodzą, bycie zapraszanym na jedzenie - to było naprawdę jedno z najlepszych doświadczeń.”

Bauer powiedział, że podziwiali także lokalną społeczność i ich odporność na życie w tak odległym, czasem surowym środowisku na dużych szerokościach geograficznych. „Gdy podróżowaliśmy pieszo z naszą karawaną, starsza miejscowa kobieta niosąca ciężki worek ryżu postanowiła iść z nami. Jednak po krótkiej chwili poszła dalej bez nas, mówiąc, że gdyby musiała iść naszym wolnym tempem, spóźniłaby się o kilka dni.”

Teksturowany model 3D przedstawiający świątynię Nezar, stary dom Lamy i nowy punkt medyczny w Bijer  – Źródło: Peter Bauer