[ii]، توانایی تهیه‌ی مدل از جنس مواد و مصالح بناها، تشخیص ریزدانه‌ها، و بافت‌ها را به صورت اطلاعات رنگی نداشت، نظریه‌ی جدید مبتنی بر تلفیق روش اسکن لیزری و فتوگرامتری بُرد کوتاه توسط سازمان میراث فرهنگی کشور در تخت جمشید و بم محک زده شد که باعث ایجاد مدل‌های سه‌بعدی با جزئیات مطلوب گشت" (مرادی و محبعلی، 1387: 22). نمونه‌ی دیگری از تجارب واقعی، رولوه‌ی بقعه‌ی هارونیه در شهر طوس خراسان رضوی است که برداشت کامل مدل سه بعدی آن از طریق دستگاه اسکنر لیزری زمینی لایکا (Leica) انجام شد.[iii] (تصویر شماره 3 و 4)

موضوع اصلی این مقاله بازسازی بناها با استفاده از تکنولوژی اسکن لیزری هوابرد و به شیوه‌ی جدید «هدف مبتنی بر تطابق گراف‌ها»ست.

2. پیرامون دستگاه

الف) معرفی:

هدف از طراحي و ساخت دستگاه‌هاي اسكنر ليزري سه‌بعدي، تهيه مدل سه‌بعدي از هر موقعيت با صرف حداقل زمان و هزينه و رسيدن به حداكثر دقت و تراكم نقاط است. بدين منظور دستگاه‌هاي فوق به گونه‌اي طراحي شده‌اند كه با كمترين دخالت عامل انساني مي‌توانند عمليات مذكور را انجام دهند.

جدیدترین دستگاه اسکنر لیزری هوابرد، محصول شرکت لایکا مدل ای.ال.اس 70 (Leica ALS70) (تصویر شماره 5) است که در سه گونه؛ نوع CM: برای نقشه‌برداری شهر از موقعیت ارتفاعی پایین پرواز، مورد استفاده برای هلیکوپترها؛ نوع HP: برای نقشه‌برداری هدف‌های عمومی در زمین‌های وسیع در موقعیت ارتفاعی بالای پرواز؛ و نوع HA: برای نقشه‌برداری مناطق در ابعاد استان و کشور در بیشترین ارتفاع پرواز.

روش كار دستگاه‌هاي اسكنر سه‌بعدي ليزري، كاملاً مشابه دستگاه‌هاي توتال استيشن ليزري است؛ با اين تفاوت كه عمليات برداشت به صورت اتوماتيك انجام مي‌شود. "اين دستگاه‌ها، داراي دو محور دوراني مي‌باشند كه در دو جهت افقي و قائم دوران مي‌كنند و مي‌توانند به كل محدوده‌ی پوشش دستگاه (با توجه به ساختار دستگاه) ديد داشته باشند. دستگاه با دوران حول اين دور محور، در زواياي مختلف فضا توجيه مي‌شود و در هر زاويه‌اي به كمك ليزر فاصله را اندازه‌گيري مي‌كند. برداشت نقاط در اين دستگاه‌ها با تنظيمات زاويه چرخش دستگاه و يا با تنظيم فاصله نقاط انجام مي‌شود و دستگاه با دوران طبق اين تنظيمات نقاط را برداشت مي‌كند. با توجه به مشخص بودن زواياي افقي و قائم دستگاه نسبت به محورهاي مختصات داخلي دستگاه و اندازه‌گيري فاصله توسط ليزر، مختصات هر نقطه توسط دستگاه (يا كامپيوتر متصل به آن) محاسبه مي شود. بنابراين بلافاصله پس از اندازه‌گيري مي‌توان حجم عظيمي از اطلاعات را به صورت ابر نقاط سه بعدي داشت" (Sgrenzaroli, 2005: 30).

"همچنين در اين دستگاه‌ها، با استفاده از عكس‌هاي گرفته شده توسط دوربين‌هاي ديجيتال كه در داخل دستگاه وجود دارند (و يا به دستگاه متصل مي شوند) و گرفتن عكس‌هاي كاليبره شده، مي‌توان اطلاعات بافت و رنگ را نيز به نقاط ابر نقاط اضافه نمود" (Vosselman, Dijkman, 2001: 39).

ب) اجزا

"یک سیستم اسکنر لیزری هوابرد دارای اجزای اصلی زیر است:

1. لیزر مسافت یاب، شامل لیزر، چشم‌های نوری فرستنده و گیرنده، ردیاب سیگنال، تقویت‌کننده، شمارشگر، و اجزای الکترونیک ضروری.

2.  رایانه، سیستم عامل و نرم‌افزار برای کنترل آنلاین داده‌های اخذشده.

3.  نرم‌افزار برای برنامه‌ریزی عملیات، و سایر مراحل فرآیند.

4.  دستگاه ذخیره‌ی لیزر، جی‌پی‌اس، اسکنر و داده‌ی تصویری.

5.  اسکنر.

6.  ایستگاه زمینی منبع جی‌پی‌اس.

7. جی‌پی‌اس برای هدایت و ناوبری، شامل لینک‌های رادیو یا آنتن برای دریافت ساعت دقیق و جبران اختلاف زمانی.

8. ویدئو و دوربین دیجیتال، دوربین هوایی فتوگرامتریک، سنسورهای دیگر مثل حرارتی، عکس چند طیفی، کنترل دما و رطوبت (اختیاری).

9.  سکو برای نصب اجزای سیستم" (Baltsavias, 1999: 164-165).

3. متدولوژی پیشنهادی

عملکرد تمامی سیستم‌های اسکن لیزری بر مبنای فاصله‌ی بین سنسور و روشنایی موضعی روی سطح زمین است. بطور کلی شکل عمومی اسکنرهای لیزری (تصویر شماره 6) می‌تواند به بخش‌های کلیدی زیر تقسیم شود: بخش تنظیم و مسافت‌یابی لیزر، اسکنر نوری-مکانیکی، و بخش کنترل و پردازش. "بخش تنظیم و مسافت‌یابی لیزر شامل پالس‌های لیزری ساتع‌شده و گیرنده‌های الکترو نوری است. دریچه‌های فرستنده و گیرنده (معمولا با قطر 8 تا 15 سانتیمتر) بطوری نصب شده اند که مسیر نوری را تعریف می‌کنند. این مسئله تضمین می‌کند که نقاط سطحی روشن‌شده توسط لیزر معمولا در میدان دید دستگاه هستند. واگرایی شعاع لیزر، میدان دید لحظه‌ای را تعریف می‌کند" (Wehr, Lohr, 1999: 68).

رویکرد نگارنده در بازسازی بناها به الگوریتم تطبیق (Matching) گراف‌های مبتنی بر هدف بستگی دارد که به اطلاعات مدل همراه با داده‌ی عوارض زمین و پستی و بلندی‌ها مرتبط است. این رویکرد به شکل یک فرآیند ارائه شده است که شامل نمای کلی این مقاله است. (تصویر شماره 7)

4. فرآیند کار

"تطابق شامل تعداد محدودی از اشکال رایج سقف‌ها (هدف‌ها) و عوارض زمین است که توسط اسکنر لیزری یافته می‌شود. داده‌های لیزری به تکه‌های مسطح تقسیم شده است. تکه‌های موجود در میان، و یا نزدیک خطوط بیرونی ساختمان برای ادامه‌ی فرآیند انتخاب می‌شوند. خطوط متقاطع، رابطه‌ی توپولوژیکی که می‌تواند بین سگمنت‌ها یافت شود را تشریح می‌کند. این روابط توپولوژیکی میان سگمنت‌ها بر توپولوژی اشیای هدف منطبق می‌شود. از طریق نتایج این تطابق، خطوط بیرونی سطوح سقف بازسازی می‌شوند" (Elberink, Vosselman, 2009: 6107).

ارتفاع و موقعیت خانه‌های دارای سقف شیروانی، با 12 اندازه تعریف می‌شود: 6 اندازه برای سقف (شماره 1 تا 6 در تصویر شماره 8) و متناظر با آنها، 6 اندازه از زمین که با علامت × مشخص شده‌اند. در سقف‌های مسطح اندازه‌های شماره 5 و 6 و نقاط متناظر آنها بر زمین، استفاده نمی‌شوند.

ابعاد دیوارها از نقطه‌ی 1 به 2، 2 به 3، 3 به 4، و 4 به 1 برآورد می‌شود. ارتفاع بنا با استفاده از میانگین چهار اندازه‌ی ارتفاعی کنج‌ها (h1)، و دو ارتفاع خط‌الراس (h1) محاسبه می‌شود.

خطوط متقاطع و تراکم نقاط لیزری شناخته شده حدود سقف را مشخص می‌کنند، این خطوط به نقاط کنج گسترش می‌یابند (تصویر 9، چپ)، آبروهای سقف اضافه شده و پنجره‌های شیروانی بازسازی می‌شوند (تصویر 9، وسط)، و چندضلعی‌های بسته سطوح سقف را شکل می‌دهند (تصویر 9، راست).

محدودیت‌ها در بازسازی اتوماتیک بناها در مناطق پر رفت و آمد این است که به دلیل متحرک‌بودن، تمامی اشیا به طور کامل قابل اسکن نیستند و از آنها اطلاعات زیادی به دست نمی‌آید. نتایج تطبیق گراف‌ها تشریح می‌کند که اشیای هدف از لحاظ توپولوژیکی به عنوان یک داده ظاهر می‌شوند. پارامترهای کیفی حاوی اطلاعاتی هستند درباره‌ی اینکه چگونه مدل برای یک داده‌ی ورودی مناسب است و اینکه کدامیک از داده‌ها مورد استفاده قرار نگرفته‌اند. مناطقی که در آن داده‌ی لیزر تا حدی با اشیای هدف تطبیق یافته است، به طور خودکار کشف می‌شوند. چالش اصلی از یک طرف بازسازی قسمت‌های پرجزئیات ساختمان و از طرفی دیگر بازسازی شکل عمومی و کلی بنا است.

تصاویر شماره 11 و 12 نتایجی از بازسازی سه بنای همجوار هستند که در آنها جزئیات به تفکیک معرفی شده‌اند.

5. فعالیت های مرتبط

·        بازسازی بنا یا Reconstruction:

در گذشته مقالات متعددی درباره‌ی بازسازی بناها از طریق داده‌ی فتوگرامتریک یا داده‌ی اسکن لیزری نوشته شده است. اولین تلاش برای مدل کردن کامل یک ساختمان، در حدود یک دهه پیش ارائه شد. شیوه‌ی انجام کار بر این منوال بود که عناصر اصلی سقف‌ها و اتصالات بنا شناسایی شوند.

·        بخش‌بندی یا Segmentation:

سگمنتیشن یا بخش‌بندی داده‌های لیزری فرآیندی است که نقاط شناسایی‌شده را طبقه‌بندی و نام‌گذاری می‌کند، نقاطی که هر یک به مکان خاصی از بنا تعلق دارند. در انواع مختلف کاربردها، بخش‌بندی می‌تواند در فرآیند استفاده از یک داده‌ی لیزری، مفید واقع شود.

·        تطابق گراف‌ها برای بازسازی بنا یا Matching:

یک بنا بر پایه‌ی اشکال ظاهر شده بازسازی می شوند. اشیای بازسازی شده توسط اشکال مدل منظم می‌شوند. نتایج یک تطبیق ناقص بطوریست که در کنار یک سقف مسطح مستطیل شکل، سگمنت‌ها بر شکل مدل‌شده منطبق نمی‌شوند.

6. هدف مبتنی بر تطابق گراف‌ها

یکپارچه کردن مدل سه بعدی و داده‌های اخذ شده، از طریق معادله‌ای به نام الگوریتم تطابق انجام می‌شود که در آن اطلاعاتی از داده‌های اصلی، و ویژگی‌های یافت‌شده در هر داده نظیر جنس مواد و مصالح، ریزدانه‌ها، و بافت‌ها بدست می‌آید. تطابق، رابطه‌ای بین نقاط و مدل سه بعدی بوجود می ‌آورد، و به نوعی موقعیت مکانی و جانمایی نقاط سقف را در بین سطوح سقف مشخص می‌نماید. تطابق بین مدل سه‌بعدی و داده‌ها، بر مبنای گراف‌های جانمایی سقف و گراف‌های هدف است. ذکر این نکته ضروریست که کیفیت داده، به نوع شیئ مورد نظر بستگی دارد. بطور مثال شیب‌های تند در سقف‌های شیروانی چهار ترک متقارن، وجوه اطلاعاتی (نقاط و خطوط متقاطع) کمتری نسبت به شیروانی‌های چند ترک دارند.

در تصویر شماره 15، خطوط متقاطع و شکل‌های هدف در یک ساختار گرافی نمایش داده شده‌اند. خطوط متقاطع بین نقاط، نشان‌دهنده‌ی لبه‌ها در گراف جانمایی نقاط در سقف هستند. نمایش گراف‌ها در شکل‌های هدف، بر گراف جانمایی نقاط در سقف منطبق شده‌اند. در این تصویر سه نوع سقف شیروانی، دو نوع سقف شیروانی شکسته و متقاطع (خط‌القعر)، دو نوع Lشکل و هفت مدل پنجره جلو آمده زير سقف مورد بازسازی قرار گرفته‌اند.

در این نمونه (تصاویر شماره 16 و 17)، سگمنت‌های خط صاف باید بطور تقریبی با اضلاع سقف منطبق شوند. این انطباق بر مبنای مجاورت و مشابهت هندسی است. مطابقت‌های چندگانه برمبنای میزان حداقل فاصله حذف شده‌اند. شکل‌ چندضلعی‌ها می‌تواند بطور قابل ملاحظه‌ای بهتر شود. هرچند که چندضلعی‌ها دقیقا بر کنج‌های ساختمان منطبق نشده‌اند. جابجایی اندکی بین خطوط متقاطع و لبه‌های تصویر وجود دارد که ممکن است به دلیل وجود خطا در کدگذاری زمینی یا پارامترهای سطح باشد.

7. نتایج تطبیق

اگر در چند مرحله اسکن یک هدف خاص، تنها یک شکل ظاهر شد، نتایج تطبیق به ازای هر بنا می‌تواند ذخیره شود. نتایج پس از تطبیق می‌توانند هم بصورت اشکال مدل سه‌بعدی و هم نتایج کمی و عددی دریافت شوند. تطبیق کامل سگمنت‌ها و خطوط متقاطع بدین معناست که گراف جانمایی سقف دقیقاً بر گراف هدف منطبق باشد. (تصویر شماره 18)

8. محدودیت ها

این دستگاه‌ها علیرغم مزایای بسیار، دارای معایب و مشکلاتی هستند. داده‌های لیزری در مقابل اشیای ناخواسته مانند درختان، خودروها تاثیر منفی بر نتایج بازسازی می‌گذارد. بطور کلی در بازسازی اتوماتیک بناها، اطلاعات زیادی از اشیای متحرک بدست نمی‌آید. به علاوه از دست رفتن داده های لیزری ممکن است ناشی از انسداد یا کمبود پالس‌های برگشتی از سطوح کدر یا منحرف شدن یا جذب پالس‌های لیزری، مفقود شدن سگمنت‌های لیزر یا خطوط متقاطع باشد.

اگرچه برخی از این مسائل که از داده‌های ناقص بوجود آمده‌اند، می‌توانند در استفاده از مدل یافته‌ها اجتناب شوند. پس شیوه‌های بازسازی اتوماتیک باید کشف شوند و آن مناطقی که فرضیه‌ها در آنها جواب می‌دهند انتخاب شوند و همزمان مناطقی که نیاز به توجه ویژه‌ای دارند نمایان شوند. "از معایب دیگر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

·        به دلیل ابعاد بزرگ و حداقل بُرد دستگاه، امکان استفاده از این روش در فضاهای کوچک وجود ندارد.

·        دستگاه‌های با دقت بالا دارای بُرد کم و دستگاه های با بُرد زیاد دارای دقت کم هستند.

·        در سطوح با انعکاس زیاد مثل آینه، شیشه و فلزات صیقلی استفاده از دستگاه نیازمند تمهیدات ویژه‌ای است" (دانشپور مقدم، 1388: 5).

9. نتیجه‌گیری

فناوری اسکنرهای لیزری هوابرد، انقلابی در دنیای اخذ اطلاعات زمینی پدید آورده است. با بررسی نقشه‌های بدست آمده از این طریق می‌توان بدون دخالت عامل انسان، اطلاعات بسیار کاملی از وضعیت فیزیکی ساختمان‌ها از جمله قدمت ابنیه، تراکم طبقات، نوع مصالح، نسبت فضاهای پر و خالی، نوع پوشش‌ها و درصد شیب‌ها را بدست آورد، خصوصا در مواردی که دسترسی به سطوح مشکل است. از این طریق می‌توان مدل‌های سه بعدی از بناها را با دقت و سرعت زیاد و هزینه‌ی نسبتا کم تهیه نمود.

10. توصیه‌های آتی

با توجه به حداقل بُرد دستگاه، مستندنگاری بناها و عوارض تاریخی توسط اسکنر لیزری هوابرد در مقیاس‌های کلان مثل بافتی از یک محوطه‌ی شهری مورد استفاده قرار می‌گیرد. لیکن در برداشت تک بنای تاریخی به دلیل وجود عوارض خاصی مثل کتیبه‌ها و نقش برجسته‌ها، مستندنگاری باید با دقت بسیار بالایی انجام گیرد (در حد چند صدم میلیمتر) و انجام این عملیات با شیوه‌ی تلفیق اسکنر لیزری سه بعدی هوابرد و زمینی با روش مکمل فتوگرامتری بُرد کوتاه پیشنهاد می‌شود.

***

ماخذ:

- دانشپور مقدم، علی (1388)، مقاله تهیه مدل سه بعدی از بناهای تاریخی به کمک اسکنر لیزری سه بعدی، مجموعه مقالات شانزدهمين همایش ژتوماتیک.

- مرادی، محمداصغر؛ محبعلی، محمدحسن (1387)، دوازده درس مرمّت، مرکز
مطالعاتی و تحقیقاتی شهرسازی و معماری.

- Baltsavias, E.P. (1999), Airborne laser scanning: existing systems and firms and other resources, (ISPRS) Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, Vol. 54, pp. 164–198.

- Elberink, S.O.; Vosselman, G. (2009) Building Reconstruction by Target Based Graph Matching Incomplete Laser Data: Analysis and Limitations, Sensors, Vol. 9, pp. 6101-6118. In: www.mdpi.com/journal/sensors, OPEN ACCESS.

- Hollaus, M.; Wagner, W.; Kraus, K. (2005) Airborne laser scanning and usefulness for hydrological models, Advances in Geosciences, Vol. 5, pp. 57–63.

- Hyypp, Hannu; Hyypp, Juha (2008), Quality of 3-dimensional infrastructure models using airborne laserscanning, Internet Search in 11/10/2011, 10 am.

- Rottensteiner, F.; Trinder, J.; Clode, S.; Kubik, K. (2004), FUSING AIRBORNE LASER SCANNER DATA AND AERIAL IMAGERY FOR THE AUTOMATIC EXTRACTION OF BUILDINGS IN DENSELY BUILT-UP AREAS, Commission III, WG III/6, Internet Search in 11/10/2011, 10 am.

- Sgrenzaroli M. (2005), Cultural heritage 3D reconstruction using high resolution laser scanner: new frontiers data processing, CIPA XX International symposium, Torino, Italy.

- Vosselman, G.; Dijkman, S. (2001) 3D building model reconstruction from point clouds and ground plans. In ISPRS Workshop Land Surface Mapping and Characterization Using Laser Altimetry; International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences: Annapolis, MD, USA; Vol. 34, pp. 37-43.

- Wehr, Aloysius; Lohr, Uwe (1999), Airborne laser scanning; an introduction and overview, (ISPRS) Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, Vol. 54, pp. 68–82.

[iii] . برای کسب اطلاعات بیشتر رجوع کنید به: دانشپور مقدم، علی (1388)، مقاله تهیه مدل سه بعدی از بناهای تاریخی به کمک اسکنر لیزری سه بعدی، مجموعه مقالات شانزدهمين همایش ژتوماتیک.