TMMOB COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ KONGRESİ 2013 11-13 Kasım 2013, Ankara LAZER TARAYICI YARDIMI İLE ÜÇ BOYUTLU İÇ MEKAN MODELİ OLUŞTURULMASI VE COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMİNE AKTARILMASI Mehmet Furkan Çelik 1, Gülşah Küçükosman 1, Engin Yüksel 1, Zaide Duran 1, Umut Aydar 1, Emin Özgür Avşar 1 1 İTÜ, İnşaat Fak. Geomatik Müh. Böl. Ayazağa Kampüsü 34469 Maslak-İstanbul, (celikmeh, kucukosman, yüksele, duranza, aydaru, avsarem)@itu.edu.tr ÖZET Hızla gelişen teknoloji ile geleneksel ölçme yöntemleri yerini lazer tarama teknolojisine bırakmıştır. Lazer taramanın; geleneksel teknolojilere göre işgücü, hız, doğruluk, işlem kolaylığı gibi büyük üstünlükleri bulunmaktadır. Bu teknoloji üç boyutlu modelleme teknolojisine büyük katkı sağlamaktadır. Üç boyutlu modellemenin yaygınlaşması ile iç ve dış mekân modellerinin coğrafi bilgi sistemine aktarılması ve veri tabanı oluşturulması yaygınlaşmıştır. Bu çalışmada, İstanbul Teknik Üniversitesi Geomatik Mühendisliği Bölümü yersel lazer tarama tekniği ile taranmış ve nokta bulutu verisi elde edilmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi Geomatik Mühendisliği Bölümü kat planları, yersel lazer tarama tekniği ile elde edilen nokta bulutu verisinin CAD ortamına aktarılması ile oluşturulmuştur. Hazırlanan planlar üç boyutlu modelleme yazılımına aktarılarak üç boyutlu katı model oluşturulmuştur. Oluşturulan üç boyutlu katı model CBS yazılımı aktarılmış ve gerekli öznitelik verileri Coğrafi Bilgi Sistemi ortamına aktarılan üç boyutlu katı model ile ilişkilendirilmiştir. Bu işlemler sonucunda yersel lazer tarama tekniği ile elde edilen model CBS ortamında yapılabilecek sorgulara hazır hale getirilmiş ve örnek teşkil edecek sorgular oluşturularak yapılan çalışmanın doğruluğu gösterilmiştir. Anahtar Sözcükler: Yersel Lazer Tarama, CBS, 3B Model ABSTRACT Thanks to rapidly developing technology, traditional measurement methods give way to laser scanning technology. Laser scanning has various superiorities such as work force, speed, accuracy, process ease in comparison with traditional scanning. This technology makes a significant contribution to three-dimensional modelling technology. By means of popularisation of three-dimensional modelling, transferring three-dimensional models of indoor and outdoor places into geographical information system and constituting database have become widespread. In this study, Istanbul Technical University Geomatics Engineering Department was scanned with laser scanning technology and point cloud data was acquired. Floor plans of Istanbul Technical University Geomatics Engineering Department acquired by laser scanning technique were formed by means of transferring point cloud data into CAD environment. By means of transferring prepared plans into three-dimensional modelling software, three-dimensional solid model was constituted. This newly formed threedimensional solid model was transferred via GIS software and it was associated with three-dimensional solid model transferred into Geographical Information System. As a result of these processes, the model acquired via using topographical laser scanning technique was rendered into ready-state for queries in GIS environment and accuracy of the process was demonstrated with example queries. Keywords: Terrestrial Laser Scanner, GIS, 3D Model 1. GİRİŞ İç mekânların modellenmesi ve bu modellerin objeler ve veri tabanlarıyla birleştirilerek Coğrafi Bilgi Sistemleri ne (CBS) aktarılması, aktarılan bu modelin internet ortamında büyük kullanıcı kitlelerine ulaştırılması; fonksiyonel yapılara ait iç mekânların sanal ortamda görsel sunumu ve içerisinde sanal olarak gezinti yapılabilmesi açısından günümüzde ve gelecekte büyük bir öneme sahiptir. Bu sayede, iç mekân içerisinde aranan bir noktaya kolay ulaşım sağlanabildiği gibi, iç mekânı modellenmiş yapıya ait detaylı bilgilere kolayca ulaşılabilmektedir. Bu çalışmada; iç mekân modellemesinin yukarıda bahsedilen avantajlarından yararlanabilmek için, İstanbul Teknik Üniversitesi Geomatik Mühendisliği Bölümü yersel lazer tarama tekniği ile taranmış ve nokta bulutu verisi kullanılarak CBS ye altlık oluşturabilecek bir 3 boyutlu katı model elde edilmiştir. Bu çalışmada öncelikle lazer tarama teknolojisi ve gelişimi hakkında bilgi verildikten sonra bu çalışmada kullanım olanakları ele alınmış, bu teknolojinin hangi yöntemlerle birlikte ve hangi doğruluklarla kullanılabileceğinden bahsedilmiştir. Daha sonraki bölümlerde; CBS teknolojisi hakkında bilgi verildikten sonra, proje ile ilgili uygulama aşamaları ele alınmıştır. Son bölümde, uygulama esnasında karşılaşılan problemler, bu problemlere getirilen çözümler, projenin sonuçları ve yapılan çalışmanın gelecekte nasıl geliştirilebileceğine dair önerilerden bahsedilmiştir.
2.YERSEL LAZER TARAYICI SİSTEMLER Hızlı ve minimum giderle, bütün obje hakkında eksiksiz 3 boyutlu geometrik ve görsel bilgiye ulaşmak lazer tarama teknolojileri ile olmaktadır. Tarama süresinin kısalığı, elde edilen nokta sayısının fazlalığı, taranan objenin gerçek modeline uygun nokta kümelerinin elde edilişi ile son zamanlarda yersel tarama teknolojisini ön plana çıkarmıştır. Lazer tarayıcıların doğruluk araştırmasıyla ilgili pek çok metot geliştirilmiş ve sonuçları yayınlanmıştır. Bu sonuçlara göre, lazer tarayıcıların ölçü doğruluğu uzun mesafelerde (>1000m) 10cm, ışın yapısına bağlı olarak azalsa da kısa mesafelerde (<300m) ölçü hassasiyeti 1cm civarındadır (Altuntaş, C., Yıldız F. 2008). Yersel tarama teknolojisi sayesinde obje ile temas kurmadan ölçüm yapılabilmektedir. Bu teknoloji ile yüksek doğrulukla sayısal arazi modeli ve gerçek renkli görüntü üretilebilmektedir. Lazer tarama yöntemi mevcut ölçme yöntemleriyle birlikte kullanılabilir ve ölçülerin diğer ölçme verileriyle entegrasyonu sağlanabilir. Yersel lazer ölçmelerinde temel büyüklük, alet ve ölçülen nokta arasındaki mesafedir. Lazer mesafe ölçümü için farklı teknikler kullanılmaktadır. Bunlar; üçgenleme, faz farkı ölçümü, ışının gidiş/dönüş zamanı ölçümüdür. (Lichti D.D. ve Gordon S.J. 2004). Üçgenleme metodunda tarayıcı, mekanik aletin bir ucundan nesneye olan artan, değişen açılarla ve lazer noktalarını sezen bir ya da iki CCD kamerayla lazer ışınını gönderir. Yansıtıcı yüzey elementlerinin 3D pozisyonları, sonuç üçgeninden elde edilir. Faz farkı ölçme yönteminde iletilen lazer, uyumlu bir dalgayla ayarlanır ve mesafe, iletilen ve alınan dalgalar arasındaki faz farkından hesaplanır. Lazer ışınının gidiş geliş süresi ile ölçüm yapılırken bir lazer ışını nesneye gönderilir ve gönderici ile yüzey arasındaki mesafe, sinyal iletimi ile alımı arasındaki seyahat zamanı ile ölçülür. Bu yöntemlerle elde edilen nokta bulutu verileri objenin 3B modelini oluşturmak için seçilen referans koordinat sisteminde birleştirilir. Nokta bulutlarının referans koordinat sisteminde birleştirilmesi; iteratif en yakın nokta, en küçük karelerle 3B yüzey eşleme, bağımsız model yöntemi ya da doğrudan jeodezik koordinatlı ölçmelerle yapılabilir (Gümüş K., Erkaya H. 2007). Lazer tarama işlemiyle elde edilen nokta bulutundan; temel ölçme verileri, ortofoto görüntüler, 2 veya 3 boyutlu çizimler, 3B animasyon, katı yüzey modelleri ya da doku giydirilmiş 3B modeller elde edilebilir. Etkin bir veri toplama tekniği olan lazer tarayıcılar hem ölçmecilere hem de bu ölçüleri kullananlara büyük kolaylıklar sağlar. 3. COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ Klasik harita, görsel elde etme ve basit ölçümler için yerküre hakkında bilgi ve gözlemler elde etmenin geleneksel bir yoludur. Bununla birlikte harita bilgilerinin derlenmesi ve yorumlanmasının kendine özgü hız ve hacim limitleri vardır. Coğrafi bilginin işlenmesi için bilgisayarların hızla artan kullanımı, bilgi depolanması ve analizinde önemli bir gelişim sağlamıştır. Buna ek olarak, ulaşım ve şehir planlaması, doğal kaynak yönetimi gibi yer bilimlerinde birçok nicel ve analitik teknikler gelişmiştir. Aynı zamanda sayısal verinin hızla artması, uzaktan algılama, öznitelik ölçümleri ve GPS gibi sayısal veri elde etme tekniklerine paralel bir gelişim sonucu oluşmuştur. Sonuç olarak, Coğrafi Bilgi Sistemleri; bölgesel ve global ölçekte, idari konuları ve karışık çok disiplinli çevresel gözlemleri adresleyebilmek için bir teknoloji haline gelmiştir. Fotogrametrik yolla ve diğer yöntemlerle elde edilen bilgilerin bilgisayar ortamında saklanması, bu bilgiler arasında ilişkiler kurularak sorgulamalar yapılması Bilgi Sistemi yardımıyla sağlanmaktadır. Bir yandan vektör verilerini en gelişmiş teknolojilerle sunarken diğer yandan da, yüksek doğrulukla hazırlanmış görüntülerle bilgi sistemlerini geometrik veri ile beslemektedir. Bahsedilen verileri depolayabilmek, üç farklı model esasına göre mümkün olmaktadır. Bu modellerden ilki İlişkisel Veri Modeli dir. Bu modelde varlıklar arası ilişkiler bire birdir (1:1). Bilgiler belli bir sırada, öznitelik değerlerinin kombinasyonundan oluşan kayıtlar (records) halinde iki boyutlu tablolarda tutulurlar. Her bir tabloya ilişki adı verilir. Tablodaki her satır bir varlığa aittir. Her kolon varlıklara ait bir özniteliği ifade eder, aynı satırda yer alan tüm öznitelik değerleri birbirleriyle ilişkilidir. İkinci bir veri depolama modeli Hiyerarşik Veri Modeli dir. Bu yapıda, varlıklar arasındaki ilişkiler bire çok şeklindedir. Diğer bir deyişle veriler ağaç yapıda ilişkilendirilir. Yani alt düzeydeki varlık sadece bir üst düzeydeki varlıkla bağlantılıdır. Hiyerarşik veri tabanı sistemleri, kolay anlaşılabilir olması, kolay genişletilebilir olması ve kolayca güncelleştirilebilmeleri açısından avantajlı sistemlerdir. Üçüncü ve farklı yapıya sahip diğer bir model ise Ağ Veri Modeli dir. Bu düzen içerisinde varlıklar arası ilişkiler çoka çok şeklindedir. Bu, çoğu durumda, özellikle koordinatları veri tabanında başka yerde tutulan, fakat grafik olarak komşu olan detaylara sahip haritalar veya diğer grafik detaylar için hızlı bir ulaşım sağlaması nedeniyle ihtiyaç duyulan bir yapıdır. Alt düzeydeki bir varlık, birden fazla üst düzeydeki varlıkla ilişkili olduğu için ağ yapıları bu ihtiyaca cevap verebilen yapılardır (Duran, Z. 2003).
4. UYGULAMA Uygulama kapsamında Leica ScanStation C10 yersel lazer tarayıcı ile kişisel ve fotogrametri laboratuvarındaki bilgisayarlar kullanılmıştır. Uygulamada Leica Cyclone, Cloudworx, AutoCAD 2012, Google SketchUp 8 ve ArcGIS 10.1 yazılımları kullanılmıştır. Uygulamada izlenmesi gereken işlem adımları planlanmıştır (Şekil 4.1). Şekil 4.1 İş akış diyagramı Uygulama alanı olarak İTÜ İnşaat Fakültesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü ve fakülte binasının B Blok 3. Katında bulunan sınıflar seçilmiştir.3b model elde etmek için yapılan tarama işlemi, fakültenin boş olduğu zaman aralıkları seçilerek iki farklı ölçme yöntemiyle yapılmıştır. Sınıflar için tarama verileri siyah-beyaz hedefler kullanılarak elde edilmiştir, Geomatik Mühendisliği Bölümü koridorlarının tarama verileri ise serbest tarama yöntemi ile elde edilmiştir. Toplamda 34 durak noktasına alet kurularak gerçekleştirilen taramalar sonucunda uygulama alanı kapsamındaki bölgelere ait 34 tane nokta bulutu verisi elde edilmiştir (Şekil 4.2) Şekil 4.2 Durak noktası örneği. Tarama işlemleri sonucu iki farklı yöntemle elde edilen nokta bulutu verileri iki farklı işlemle birleştirilmiştir. Siyahbeyaz hedeflerle elde edilen nokta bulutu verileri Leica Cyclone yazılımı kullanılarak otomatik olarak birleştirilmiştir. Serbest tarama yöntemi ile elde edilen nokta bulutu verileri ise manuel olarak birleştirilmiştir. Manuel birleştirme işleminde, otomatik olarak birleştirilen nokta bulutu verisi referans olarak seçilmiş ve serbest tarama ile elde edilen
nokta bulutu verileri bu veri ile birleştirilmiştir. Serbest tarama yöntemi ile elde edilen nokta bulutu verilerini birleştirmek için en az üç ortak nokta seçilmesine dikkat edilmiştir (Şekil 4.3) Şekil 4.3 Leica Cyclone yazılımında nokta bulutu verilerinin manuel birleştirilmesi işlemi. İşlemler sonucu nokta bulutu verilerinin birleştirme işlemi kontrol edilmiş ve hata vektörleri incelenerek gerekli hassasiyete (±2mm) ulaşıldığına kanaat getirilerek birleştirme işlemi bitirilmiştir. (Şekil 4.4) Şekil 4.4 Leica Cyclone yazılımında nokta bulutu verisi görünümü. Leica Cyclone yazılımında birleştirilen nokta bulutu verilerinin AutoCAD 2012 yazılımına aktarılabilmesi için Leica Cloudworx yazılımı kullanılmıştır.aktarılan nokta bulutu verisinden kesit alınıp kat planları çizilmiştir (Şekil 4.5). Şekil 4.5 Birleştirilmiş nokta bulutu verisinin CAD ortamına aktarılması.
Uygulama alanı içerisinde bulunan fakat taraması yapılamayan öğretim üyelerinin odalarının planı İnşaat Fakültesi kat planından alınarak elde ettiğimiz kat planına eklenmiştir. 3B modelin elde edilmesi için, AutoCAD 2012 yazılımı ile elde edilen 2B kat planları Google SketchUp 8 yazılımına.dwg formatında aktarılmıştır. Bu işlem adımı için öncelikle bütün alanlar yüzey olarak tanımlanmış ve duvarlar yükseltilerek 3B model elde edilmiştir (Şekil 4.6). Şekil 4.6 Google SketchUp 8 yazılımı kullanılarak yükseltilen duvarların görünümü. Elde edilen 3B modelin görsel olarak iyileştirilmesi için Google SketchUp 8 yazılımında bulunan 3D WareHouse kullanılarak alınan objeler uygun şekile getirildikten sonra modele eklenmiştir(şekil 4.7). Şekil 4.7 Google SketchUp 8 yazılımında objeleri yerleştirilmiş, araştırma görevlilerine ait oda örneği. Oluşturulan 3B model.dae formatında export edilmiş, ArcScene 10.1 yazılımına aktarılmıştır. Ulaşılmak istenen sorguların yapılabilmesi için öğretim üyelerinden toplanan bilgiler Excel yazılımında düzenlenerek tablo haline getirilmiş ve ArcScene 10.1 yazılımına aktarılmıştır. Aktarılan tablo oluşturulan kapı yüzeyi ile ilişkilendirilerek sorgulama yapılabilir hale getirilmiştir. 5.SONUÇ Proje süresince, bazı problemlerle karşılaşılmış ve bu problemler aşılmaya çalışılmıştır. Projede karşılaşılan ilk sorun, Google SketchUp 8 yazılımından elde edilen model dosyasının boyutunun büyüklüğünden dolayı, ArcGIS 10.1 yazılımına kolay bir şekilde aktarılamamasıydı. Bu durum katı modelde bulunan, ancak sorgulama sırasında görünmeyecek olan objeler silinerek ve dosya boyutu küçültülerek aşıldı. Objelerin kullanılmasının zorunlu olması durumunda ise, hazır olarak alınan objelerin yerine aynı şekilde Google Sketchup 8 yazılımında çizilerek vektör tabanlı ve çok daha küçük boyutlu obje üretme seçeneği bulunmaktadır. ArcGIS yazılımında sorgulama yaparken kullanılacak olan videoları hazırlama aşamasında Lumion adlı yazılımın kullanılmasına karar verildi, fakat uygulaması aşamasında önemli bir problemle karşılaşıldı. Katı model Lumion yazılımına aktarıldığı zaman, birtakım yüzeylerin dışarıdan göründüğü halde, modelin içine girildiğinde görünmediği fark edildi. Bu problemin nedeni araştırıldığında, ücretsiz yazılımlarla aşılamayacağı anlaşıldı. Belirli yazılımlarla aşılabilecek olmasıyla birlikte, video hazırlama işleminin ücretsiz olarak ve düşünülen şekliyle Google Sketchup 8 yazılımında yapılmasına karar verildi. Karşılaşılan bir diğer problem olarak, ArcScene 10.1 yazılımı; aktarılan modeli tek bir obje olarak gördüğünden, sorgular istenilen şekilde yapılamamaktaydı. Bu sorunun çözümü adına katı model AutoCAD 2012 yazılımına
aktarılarak her bir kapı için ayrı yüzey tanımlandı ve bu yüzeyler tekrardan, katı modelden bağımsız olarak ArcScene 10.1 yazılımına aktarıldı. Bu sayede sorgulamaların tanımlanan yüzeyler üzerinden yapılması sağlandı. Aşılan problem, beraberinde, birden fazla kişinin bağlı olduğu bir yüzeyde bire-bir sorgulama yapılamayacağı problemini doğurdu. Problemin nedeni kişiler ve yüzeylerin ilişkilendirilmesinde yalnızca oda_no verilerinin kullanılmasıydı. Bu sebeple kapı yüzeyleri yeniden CAD ortamına aktarıldı, birden fazla kişiye bağlı olan yüzeylere birden fazla yüzey tanımlandı ve yeniden ArcGIS 10.1 yazılımına aktarılarak isim_soyisim ve oda_no verileri tanımlandı. Sonrasında, sözel veriler ile kapı yüzeyleri isim_soyisim verileriyle ilişkilendirildi. Bu çalışma, ileride üç boyutlu modellerin geliştirilmesi ve coğrafi bilği sistemine aktarılması açısından daha da genişletilebilir. Yapılan üç boyutlu model ve sorgulamaların üzerine, üç boyutlu modelin içinde sanal olarak gezinti yapılabilir. Bu sanal gezinti, internet ortamına aktarılıp geniş kullanıcı kitlelerine ulaştırılarak; fonksiyonel yapıların, sanat yapıları ve tarihi yapıların detaylı iç özelliklerine sanal ortamdan ulaşma kolaylığı sağlanabilir. Aynı zamanda, web tabanlı hale getirilmiş üç boyutlu modeller, akıllı cihazlara uygulama olarak eklenebilir ve eklenen iç mekan navigasyonu özelliği ile istenilen bilgilere hızlı erişim sağlanabilir. KAYNAKLAR Duran, Z. 2003 Doktora Tezi, Tarihi Eserlerin Fotoğrametrik Olarak Belgelenmesi ve Coğrafi Bilgi Sistemine Aktarılması Gümüş, K.,Erkaya, H. 2007 TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası 11. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı 2 6 Nisan, Ankara Altuntaş, C., Yıldız F., Yersel Lazer Tarayıcı Ölçme Prensipleri ve Nokta Bulutlarının Birleştirilmesi Lichti D.D. ve Gordon S.J. 2004 Error Propagation in Directly Georeferenced Terrestrial Laser Scanner Point Clouds for Cultural Heritage Recording, Proceedings of FIG Working Week, s.on CD, Athens, Greece, 22-27 Çelik, M.F.,Küçükosman G.,Yüksel E. 2013 Bitirme Projesi, Lazer Tarayıcı Yardımı ile 3B İç Mekan Modeli Oluşturulması ve Coğrafi Bilgi Sistemine Aktarılması