Metody pro 3D skenování historických hliněných staveb
Historické hliněné stavby se vyznačují mnohými specifiky. Mezi hlavní patří složitá geometrie nosných konstrukcí a postupná degradace po opuštění objektu či zanedbání údržby. V případě renovace tyto objekty potřebují projektovou dokumentaci na vyšší úrovni, než jaká je běžně zpracovávaná obvyklými zaměřovacími metodami. Metody 3D laserového skenování při vhodném použití mohou zpřístupnit projektantům maximum prostorových informací o objektu. Vytvořené virtuální dvojče umožní zájemcům podívat se na detaily stavby, které jsou mnohem přesnější a přehlednější než standardní fotodokumentace či zaměření objektu klasickými metodami. Toto má velký přínos i v případě, pokud se nepodaří objekt zachovat ve fyzické podobě. Virtuální dvojče objektu umožňuje stavbu studovat i po zániku původního objektu, uchovat její geometrické charakteristiky a zpřístupnit ji široké veřejnosti.
Fotografie stavby a jejího digitálního dvojčete. Arnoldova vila, Brno. Zdroj: archiv autorů
Úvod
V České republice existuje velké množství hliněných staveb, obzvláště v údolích a nížinách kolem velkých řek. Poruchy těchto staveb nejsou v obecném povědomí, protože pokud byly správně postaveny a jsou používané ke svému účelu, po staletí spolehlivě plní svou funkci. Nicméně se stává, že dům přestane být užíván, začne chátrat a každým rokem se zhoršuje jeho stav. Často nastává situace, že spolu s domem může hrozit i ztráta unikátní technologie stavby, výjimečné ukázky lidové architektury či zmenšení kulturní rozmanitosti v daném regionu.
Ať je důvodem zhoršení stavu objektu cokoli, naším primárním cílem je vždy jeho zachování, tedy oprava stavby přímo na místě. Jak pro kriticky ohrožené stavby, tak i jako podklad pro běžné opravy, sanace či rekonstrukce hliněných staveb je nutno mít projektovou dokumentaci skutečného stavu objektu. Standardní formy zaměření objektu ovšem pro hliněné stavby nejsou obvykle optimální, což je způsobeno specifiky hlíny jako stavebního materiálu. Nosné konstrukce mohou mít geometrii, která bývá jak ve vodorovné, tak i ve svislé rovině zakřivená. Toto je způsobeno více vlivy, z nichž nejzásadnější jsou následující dva. Prvním je obvykle nízký důraz na geometrickou přesnost v rámci historických, na ruční práci orientovaných technologií stavby hliněných zdí a druhým jsou vlastnosti hliněného stavebního materiálu, který dokáže měnit tvar vlivem vnějších vlivů v podstatě kdykoli během své životnosti. Příkladem jsou třeba horizontálně zkosené stěny starých hliněných stodol v Hrubé Vrbce. Projektant proto potřebuje mimo jiné i vědět přesnou geometrii a deformace nosných konstrukcí, aby následně vybral optimální postup opravy, či reálný stav stavby vhodně zohlednil do plánu rekonstrukce. Pro tyto informace nejsou běžné zaměřovací metody optimální, protože by vyžadovaly větší časovou náročnost na zaměřování a následné vyhodnocování měření.
V některých situacích však oprava nebo rekonstrukce stavby není možná. V této chvíli je třeba zvážit jiné, alternativní metody, jak objekt nebo alespoň informace o něm zachovat. Kromě sběru dat o stavbě přímo v terénu a provedení klasického stavebně – technického průzkumu či sběru kulturně – etnologických informací, je zejména u budov historicky či architektonicky významnějších možno zvážit i další metody. Pro uchování geometrických informací hliněných staveb se stejně jako v případě oprav a rekonstrukcí dá s výhodou provést zaměření metodou laserového skenování, jejímž výstupem je takzvané digitální či virtuální dvojče. Jedná se v podstatě o velmi přesnou kopii objektu, která může být studována na velmi detailní úrovni dlouho po demolici původního díla, případně může být v budoucnu použita pro obnovu části objektu v případě jeho poškození či nešetrného stavebního zásahu. Tato metoda navíc umožňuje sdílet geometrické a vizuální informace o daném objektu nejen pro odborníky, ale také pro širokou veřejnost. Je tedy možné nabídnout zanikající nebo již fyzicky ztracené objekty široké veřejnosti formou webových prezentací, což může vdechnout nový, virtuální život zaniklým stavbám.
Tématikou skenování historických objektů se tým autorů zabývá již několik let a z dosavadních zkušeností vyplývá, že je to zatím nejpokročilejší metoda, jak tyto objekty zaměřit pro účely renovací a oprav. Touto problematikou se zabývají i zahraniční autoři, např. [3] a [4]. Využití skenování pro tvorbu digitálních dvojčat a jejich prezentace je bohužel oblast méně probádaná a bude třeba jí věnovat pozornost, jelikož použití různých forem rozšířených či virtuálních realit se zdá být trendem i v této oblasti.
Prezentaci virtuálních dvojčat zanikajících hliněných staveb bude na interaktivní mapě ČR nabízet veřejnosti jeden z výstupů projektu Ministerstva Kultury ČR, NAKI III s označením DH23P03OVV049. Projekt se specificky zabývá unikátními stavbami z hliněných válků, nicméně prezentuje i další referenční hliněné stavby. Na tomto výzkumném projektu spolupracují lidé z různých institucí, mezi nejvýznamnější patří Fakulta architektury a Fakulta stavební VUT v Brně, Národní ústav lidové kultury ve Strážnici, Národní památkový ústav, Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně a Fakulta stavební ČVUT v Praze.
Metody laserového skenování
Laserovým skenováním rozumíme vytvoření takzvaného mračna bodů, které bude v digitální podobě reprezentovat fyzický objekt či objekty, v našem případě stavbu. Jedná se o soubor, který obsahuje, jednotky až stovky milionů bodů, z nichž každý leží na povrchu daného objektu. Čím vyšší je počet bodů, tím vyšší je hustota daného mračna a tím pádem komplexnější informace například o detailech objektu. Vyšší hustota ovšem neznamená vyšší přesnost, která je dominantně dána použitou metodou a v rámci metody přesností daného přístroje či jeho nastavením. V současné době se významněji používají pro vytvoření mračna bodů dvě metody:
- Statická metoda je známá už od počátků laserového skenování. Jedná se o postup, kdy přístroj je umístěn na stativ, ze kterého zaznamená všechny body viditelné z daného stanoviště. Po provedení záznamu je přístroj přenesen do nového umístění, je proveden nový záznam a tento se později v počítači spojí s předchozími záznamy. Mezi záznamy je nutná určitá míra překryvu jednotlivých záběrů, aby software dokázal automaticky tato měření spojit. Výstupem je většinou velmi přesné mračno bodů (přesnost v nižších jednotkách milimetrů na velké vzdálenosti – v případě některých přístrojů až desítky metrů), u kterého může mít každý bod buď odstín šedé dle intenzity zpětně odraženého laserového paprsku, případně může být obarven reálnou barvou, pokud je součástí přístroje fotosnímač. Vlastností této metody je, že mračno je hustější v blízkém okolí přístroje a se vzdáleností jeho hustota klesá.
Obr. 1: Ukázka statické metody, vrcholy polygonu jsou polohami přístroje při skenování - Dynamická metoda se dostává do popředí v poslední dekádě zejména kvůli nárůstu výpočetního výkonu počítačů, které se stávají přenosnými a mohou být součástí samotného přístroje. Princip této metody totiž posouvá statickou metodu k mnohem rychlejšímu zaměřování, kdy samotný skener již není na stativu, ale je nesen operátorem, který se plynule pohybuje objektem a během tohoto pohybu jsou zaznamenávány okolní povrchy ve formě bodů v prostoru, stejně jako u statické metody. Za účelem co nejvíce homogenního mračna se pak laserový senzor otáčí kolem jedné či několika os současně a díky výpočetnímu výkonu připojeného počítače a přesných IMU jednotek jsou zaznamenávány až stovky tisíc bodů za sekundu. Přesnost takto vytvořeného mračna bodů je dána vlastnostmi konkrétního přístroje, obecně se však dá říci, že je méně přesná než statická metoda. Konkrétní přesnost záleží na několika faktorech, ale stále se pohybuje v řádu jednoho až dvou centimetrů, což je pro většinu úkolů dostatečná přesnost. Nespornou výhodou je, že místnosti nemusí být kvůli skenování vyklizené, stačí odklidit okolí důležitých částí – ostění oken a dveří, prvků krovu a podobně.
Obr. 2: Ukázka dynamické metody, červená čára značí trajektorii přístroje během procesu skenování
Obě metody mají své výhody i nevýhody a dalo by se říct, že mohou spolu koexistovat. Zatímco statická metoda vyniká přesností výsledného mračna bodů, často nastává problém s umístěním stativu vzhledem ke stísněným prostorám, zaplněným místnostem či nestabilní podlaze, například kvůli slámě či měkké tepelné izolaci v krovu. Dynamická metoda je sice méně přesná, volný pohyb skeneru však umožňuje vytvoření kompletnějšího mračna bodů.
Oba způsoby již dnes dovolují pořízení barevného mračna bodů, které je samozřejmě přehlednější a podává ucelenější představu o zaměřovaném objektu. Je však třeba dávat pozor na co nejstabilnější světelné podmínky během skenování, dodatečná korekce barev je náročná, někdy až nemožná.
Možnosti praktického využití
Základním a nejběžnějším využitím mračna bodů je vytvoření klasické výkresové dokumentace stavby. Tento způsob je ideální pro takzvaný pasport budovy, jehož součástí jsou půdorysy, řezy a pohledy. Konstrukce jsou v pasportu zobrazeny pouze svými obrysy a výkres tedy neposkytuje informaci o materiálu jednotlivých konstrukcí. Výhoda mračna bodů je zejména v tom, že poskytuje informace o všech „nepřesnostech“ stavby – jdou vidět vybočené stěny, vodorovné posuny dané například zemním tlakem, průhyby v krovu a podobně. Při měření pomocí laserového dálkoměru či pásma bychom stejné úrovně detailů dosáhli pouze obětováním velkého množství času při měření i vykreslování konstrukce.
Obr. 3: Použití mračna bodů pro zjištění průhybu dřevěného vazníku
Výhodou, která je v současné době stále ještě málo využívána, je přímá práce s mračnem bodů, ať už na běžné obrazovce počítače, nebo za pomoci brýlí pro virtuální realitu. Pokud máme k dispozici barevné mračno v dostatečné hustotě, je možno se nejen dívat kolem sebe jako v realitě, přibližovat si detaily konstrukce či naopak dívat se na dům jako celek z nadhledu, ale také vytvářet lokální řezy konstrukcí a vytvářet tak působivé virtuální prezentace konstrukcí, které by jinak byly jen obtížně proveditelné.
Obr. 4:Použití mračna bodů k detailnímu zkoumání povrchu stěn a analýzu nerovností
Obr. 5: Pohled na celkové mračno bodů exteriéru budovy
V rámci zmíněného projektu NAKI půjde jak o využití mračna bodů pro vytvoření vizuální prezentace objektu pro potřeby Národního ústavu lidové kultury, tak o vytvoření určité databáze virtuálních dvojčat hodnotných staveb pro budoucí generace i pro potřeby technických odborníků a stavebníků. Půjde tedy o nejspíše první katalog hliněných staveb, který bude obsahovat více informací než pouze zjednodušené výkresy či fotografie, ale plnou virtuální reprezentaci skutečné budovy, která již možná v reálném světě neexistuje.
Obr. 6: Pohled na válkovou stěnu stodoly z interiéru
Obr. 7: Pohled na stejnou stěnu s tzv. falešnými barvami dle směru normály povrchu
Speciální způsob využití 3D laserového skenování je vytvoření virtuálních dvojčat vzorků těles pro účely laboratorních zkoušek. Takto provedená virtuální dvojčata je možno na obrazovce různých zařízení zobrazit vedle sebe a v reálném čase srovnávat stejný vzorek před a po porušení. Toto umožňuje nalézt příčiny specifických způsobů porušení konkrétních zkušebních vzorků, které jsou obvykle iniciovány geometrickými nepřesnostmi. Výhoda tohoto postupu je zřejmá, neboť v reálném světě není možné mít vedle sebe původní a porušený vzorek. Vzhledem k tomu, že ruční stavba hliněných konstrukcí s sebou nese velkou míru geometrických a materiálových imperfekcí (které je nutno v rámci experimentů zachovat), je nutné je v rámci přípravy experimentu dobře popsat a při vyhodnocování zohlednit. Z tohoto důvodu má vytvořené virtuální dvojče zkušebního vzorku nezaměnitelnou úlohou jak z pohledu výsledné přesnosti, tak z pohledu náročnosti zhotovení.
Obr. 8: Sken válkového pilíře po zatěžovací zkoušce
Závěr
Laserové skenování je relativně nová technologie digitálního záznamu reálných objektů, která se ovšem rychle vyvíjí a věci, které se zdály být před několika lety nemožné, jsou dnes součástí stavební praxe. Například mračno bodů na obr. 8 bylo vytvořeno s pomocí relativně běžného mobilního telefonu s integrovaným LiDARem. Tento obor bezpochyby čeká další rozvoj a rozšíření mezi odbornou i laickou veřejnost je pouze otázkou času. V budoucnu tak bude možné vytvářet digitální dvojčata reálných objektů stejně snadno, jako dnes pořizujeme fotografie.
Podklady a literatura
- Vejpustek, Z. – Müller, J. – Fišarová, Z. – Kalousek, L.: Možnosti dokumentace a zaměřování historických hliněných staveb metodou laserového skenování, příspěvek, Mezinárodní konference Zdravé domy 2023, Hrubý Šúr, Slovensko
- Müller, J.: Využití laserového skenování v památkové péči, Sborník mezinárodní konference Krajina, sídla, památky 2023, Brno
- Bhatti, A.Q., Wahab, A. & Sindi, W.: An overview of 3D laser scanning techniques and application on digitization of historical structures. Innov. Infrastruct. Solut. 6, 186 (2021)
- Bent, G.R., Pfaff, D., Brooks, M. et al.: A practical workflow for the 3D reconstruction of complex historic sites and their decorative interiors: Florence As It Was and the church of Orsanmichele. Herit Sci 10, 118 (2022)
Poděkování
Výzkum hliněných konstrukcí v Brně na Fakultě architektury a Fakultě stavební je od roku 2023 podporován projektem NAKI III s názvem Jedna z nejohroženějších skupin historického stavebního fondu ČR: jedinečné technologie hliněných staveb s použitím kusového staviva (válků) a způsoby jejich záchrany (DH23P03OVV049). Jedním z cílů projektu je hledat a prozkoumávat různé možnosti zachování unikátních hliněných konstrukcí pro budoucí generace.
Článek je obsahově zaměřen na seznámení se s možností vytvoření třírozměrného obrazového záznamu stavební konstrukce. Podrobněji je prezentován na hliněných stavbách vybudovaných z válků. Srozumitelným způsobem je popsána statická laserová metoda, kdy skenovací laser je umístěn v několika určených pozicích a z nich je proveden záznam obrazu povrchu objektu. Dále je popsána dynamická laserová metoda, u níž je obrazový sken objektu prováděn z přenášeného zařízení. Obě metody jsou vhodné pro vytvoření tří rozměrné obrazové podoby staveb. Jako příklad je uváděn záznam objektů vybudovaných z hliněných válků, jejichž orientace ve výstavbě hliněných stěn je poměrně variabilní. Prezentované metody jsou přínosné pro vytváření virtuálních prostorových podob historických staveb, a to zejména z důvodu zachycení podoby staveb, které mohou v budoucnu z různých důvodů zaniknout. Článek z tohoto pohledu je bezesporu přínosný. Prezentovaná metoda je výborným nástrojem pro zachování kulturního dědictví v digitální podobě, ale z hlediska projektování, rekonstrukcí a provádění stavebních zásahů jde o doplňující metodu, která poskytuje rychlejší představu o geometrickém uspořádání konstrukce a doplňuje ostatní přístupy z hlediska potřebných zásahů do historických staveb. Doporučení recenzenta byla akceptována, článek doporučuji k vydání.
