Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 16:32, 1 Μαρτίου 2024

Πρότυπος Τίτλος Από τα δεδομένα του Point Cloud (νέφος σημείων) στο Building Information Modeling-BIM (Μοντέλο Δομικών Πληροφοριών-ΜΔΠ) : Έρευνα των υπαρχουσών προσεγγίσεων

Τίτλος From Point Cloud to BIM: A survey of existing approaches

Ημερομηνία δημοσίευσης 09/2013

Πηγή https://www.researchgate.net/publication/276021251_From_point_cloud_to_BIM_a_survey_of_existing_approaches

Συγγραφείς N. Hichri. Chiara Stefani, Livio De Luca, Philippe Veron, Gael Hamon

Λέξεις κλειδιά νέφη σημείων (point clouds), ΜΔΠ (scan-to-BIM), BIM όπως κατασκευάστηκε (as-built BIM), αναγνώριση αντικειμένων, αναπαράσταση σχημάτων, γεωμετρική μοντελοποίηση

Για την αποτελεσματική διαχείριση έργων αποκατάστασης, τεκμηρίωσης και συντήρησης ιστορικών κτιρίων είναι σημαντική και αποτελεσματική η χρήση τρισδιάστατων μοντέλων και ειδικότερα BIM. Δεδομένου ότι τα ιστορικά κτίρια υπάρχουν ήδη, απαιτείται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση, ξεκινώντας από την έρευνα του κτιρίου για την ανάπτυξη ενός σημασιολογικά εμπλουτισμένου ψηφιακού μοντέλου. Το άρθρο προτείνει μια διαδικασία που ξεκινά από τα δεδομένα Point Cloud και οδηγεί σε ένα καλά δομημένο BIM, ενώ αναλύει και υπάρχουσες προσεγγίσεις στη δημιουργία BIM. Επιπλέον, παρέχει μια κριτική εξέταση της εφαρμογής αυτής της διαδικασίας στο πλαίσιο της διατήρησης της πολιτιστικής κληρονομιάς.

Η ανάγκη για σημασιολογικά εμπλουτισμένα τρισδιάστατα ψηφιακά μοντέλα ιστορικών κτιρίων, προκειμένου να βοηθήσουν σε έργα όπως συντήρηση, αποκατάσταση, προστασία ή επεξεργασία αυξάνεται συνεχώς. Τεχνικές όπως η σάρωση με λέηζερ χρησιμοποιούνται για να συλλέξουν Point Clouds κτιρίων, τα οποία στη συνέχεια χρειάζεται να μετατραπούν σε μοντέλα κτιρίων. Το ΒΙΜ παίζει ένα κρίσιμο ρόλο σε αυτήν τη διαδικασία, λειτουργώντας τόσο ως τεχνολογία όσο και ως μεθοδολογία. Ως τεχνολογία, το BIM αναπαριστά ψηφιακά τα φυσικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά ενός κτιρίου, ενώ ως μεθοδολογία διευκολύνει τη συνεργασία μεταξύ ενδιαφερομένων κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής του κτιρίου. Το BIM βασίζεται σε δομημένες αρχιτεκτονικές πληροφορίες για να ενισχύσει τη γεωμετρική περιγραφή των ψηφιακών μοντέλων με σημασιολογικά χαρακτηριστικά.

Η αποτελεσματική μετατροπή των Point Clouds σε εμπλουτισμένα μοντέλα αποτελεί πρόκληση, ειδικότερα στην περίπτωση των ιστορικών κτιρίων. Παρά τις προσπάθειες εταιριών όπως η Autodesk υπάρχει έλλειψη λογισμικού για το συγκεκριμένο θέμα. Είναι σημαντική η κατανόηση ολόκληρης της διαδικασίας από τη συλλογή των δεδομένων έως τη δημιουργία των τρισδιάστατων μοντέλων σε περιβάλλον BIM. Ενώ το BIM είναι διαδεδομένο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, δεν χρησιμοποιείται ευρέως σε ιστορικά κτίρια. Η έρευνα επικεντρώνεται στην εφαρμογή του BIM σε υφιστάμενα κτίρια και στη συλλογή δεδομένων για την αυτοματοποίηση της μοντελοποίησης.

Το άρθρο προτείνει μια εκτενή ανασκόπηση των υπαρχόντων προσεγγίσεων σε τρεις κύριους τομείς: δημιουργία, κατηγοριοποίηση και "ως κατασκευάστηκε" BIM. Στην ενότητα δύο, γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση των τεχνικών δημιουργίας τρισδιάστατων δεδομένων. Στη συνέχεια, στην ενότητα τρία, προτείνεται μια σύντομη παρουσίαση ορισμένων προσεγγίσεων κατηγοριοποίησης σημείων του Point Cloud. Η ενότητα τέσσερα περιγράφει μια επισκόπηση των προσεγγίσεων "ως κατασκευάστηκε", διακρίνοντας τις μεθόδους αναπαράστασης βάσει σχημάτων, σχέσεων και χαρακτηριστικών. Έπειτα, πραγματοποιείται μια κριτική ανάλυση αυτών των προσεγγίσεων και τέλος τα συμπεράσματα.

Οι τεχνικές απόκτησης δεδομένων περιλαμβάνουν την τοπομετρία, τη φωτογραμμετρία και τη λέιζερ-γραμμετρία. Η τοπομετρία περιλαμβάνει παραδοσιακές μεθόδους διερεύνησης, όπως η χρήση τηλεσκοπικής συσκευών και συστήματος μέτρησης για τη γωνιακή κατεύθυνση. Αυτές οι τεχνικές οδηγούν σε αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας, αλλά απαιτούν σημαντική εργασία, ιδίως για πολύπλοκα αντικείμενα. Η φωτογραμμετρία είναι η τεχνική που χρησιμοποιεί εικόνες από διαφορετικές σκοπιές θέασης για να δημιουργήσει τρισδιάστατες αναπαραστάσεις, εμπλουτίζοντας τα Point Clouds με πληροφορίες χρώματος. Η λέιζερ-γραμμετρία, η πιο γρήγορη τεχνική, περιλαμβάνει την προβολή ενός λέιζερ στις επιφάνειες για μέτρηση.

Το άρθρο αναφέρεται στη σημασία της εφαρμογής μεθόδων κατηγοριοποίησης για τη δημιουργία δομημένου Point Cloud, που μπορεί να γίνει με χειροκίνητο, αυτόματο ή ημι-αυτόματο τρόπο. Παρουσιάζει μεθόδους που εφαρμόζονται στην αρχιτεκτονική για την αναγνώριση σχημάτων, με κύριο στόχο τη δημιουργία "ως κατασκευάστηκε" BIM.

Μια μέθοδος στην αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί την ομοιότητα χρώματος και τις χωρικές πλησιέστερες αποστάσεις, χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο ανάπτυξης περιοχών για την εύρεση του πλησιέστερου γείτονα κάθε αρχικού σημείου δημιουργώντας περιοχές που θα συγχωνευτούν και θα εκτελεστούν σε χρωματικές και χωρικές σχέσεις.

Μια άλλη μέθοδος περιλαμβάνει την ανίχνευση σχήματος, χρησιμοποιώντας αλγόριθμο ανάπτυξης περιοχών και κανονικές κατευθύνσεις για να διακριθούν τα επίπεδα και στη συνέχεια να εξαχθούν αρχιτεκτονικά στοιχεία.

Το BIM παρέχει μια ψηφιακή αναπαράσταση τόσο των φυσικών όσο και των λειτουργικών χαρακτηριστικών των κτιρίων, προσφέροντας ένα σημασιολογικά εμπλουτισμένο μοντέλο. Το "As-built" BIM αναφέρεται στην αναπαράσταση της τρέχουσας κατάστασης ενός κτιρίου, ιδιαίτερα χρήσιμη για την αξιολόγηση της κατάστασης και συντήρησης ιστορικών κτιρίων. Αυτή η διαδικασία συνήθως περιλαμβάνει χειροκίνητες εργασίες, όπως μοντελοποίηση, κατηγοριοποίηση, αντιστοίχιση υλικών και καθορισμός σχέσεων μεταξύ στοιχείων.

Το "as-built" BIM περιλαμβάνει τον χαρακτηρισμό των σχημάτων των αντικειμένων, των σχέσεων και των γνωρισμάτων τους.

Το σχήμα ενός αντικειμένου μπορεί να ταξινομηθεί με βάση τρία κριτήρια : παραμετρικό ή μη παραμετρικό, καθολικό ή τοπικό, αναφορικό ή σιωπηλό.

Η παραμετρική αναπαράσταση περιγράφει το μοντέλο χρησιμοποιώντας ένα σύνολο παραμέτρων όπως το ύψος, το μήκος, η ακτίνα. Ενώ η μη παραμετρική αναπαράσταση χρησιμοποιεί τριγωνικά πλέγματα.

Στο πλαίσιο μιας καθολικής αναπαράστασης, περιγράφεται ολόκληρο το αντικείμενο ενώ σε μια τοπική περιγραφή χαρακτηρίζεται μόνο ένα μέρος του αντικειμένου. Για παράδειγμα, οι παραμετρικές αναπαραστάσεις θεωρούνται κυρίως ως τοπικές. Επίσης, τα πολύπλοκα σχήματα θεωρούνται συχνά τοπικά όταν διασπαστούν σε μέρη.

Η αναφορική αναπαράσταση επιτρέπει μια άμεση κωδικοποίηση για το σχήμα του αντικειμένου (δηλαδή τριγωνικά πλέγματα), ενώ η σιωπηλή αναπαράσταση επιτρέπει μια έμμεση κωδικοποίηση για το σχήμα χρησιμοποιώντας μια ενδιάμεση αναπαράσταση (δηλαδή ένα ιστόγραμμα κανονικών επιφανειών).

Στο πλαίσιο του BIM, είναι αναγκαίο να αναπαρίστανται οι σχέσεις μεταξύ αντικειμένων. Στην πραγματικότητα, οι σχέσεις απαιτούνται για να περιγράψουν τις θέσεις και τις μετακινήσεις των δομικών στοιχείων.

Το BIM επιτρέπει την περιγραφή διαφόρων χωρικών σχέσεων όπως συγκέντρωση, τοπολογία και διεύθυνση. Η συγκέντρωση μπορεί να απεικονιστεί με ιεραρχικό δέντρο, ενώ η τοπολογία (εσωτερικά, εξωτερικά, κα) και η διεύθυνση (άνω, κάτω, κα) μπορούν να αναπαρασταθούν γραφικά. Η χρήση αναπαράστασης B-Rep επιτρέπει την πλήρη αναπαράσταση όλων αυτών των χωρικών σχέσεων.

Αντίθετα με τις σχέσεις και τα σχήματα που περιγράφονται ικανοποιητικά καλά, λίγες μελέτες επικεντρώνονται στην περιγραφή των χαρακτηριστικών. Τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν τη περιγραφή των αντικειμένων προκειμένου να εμπλουτίσουν το τελικό μοντέλο. Περιλαμβάνουν πληροφορίες σχετικά με τα υλικά (υφή, ηλικία, κόστος κλπ.) και μπορούν να ενημερώσουν επίσης για την κατάσταση συντήρησης και την τεκμηρίωση ιστορικών κτιρίων, για παράδειγμα, εάν το αντικείμενο έχει αντικατασταθεί ή ανακτηθεί.

Τα χαρακτηριστικά ή οι κατηγορίες των αντικειμένων μπορούν να είναι: γραφικά ή αλφαριθμητικά. Τα γραφικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν ιδιότητες που απαιτούνται για την τρισδιάστατη μοντελοποίηση (καρτεσιανές συντεταγμένες, αριθμητικές τιμές, περιορισμένοι χώροι κλπ.). Τα αλφαριθμητικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν όλες τις πρόσθετες πληροφορίες που αφορούν στις διαστάσεις, τη σύνθεση, τα οικονομικά δεδομένα κλπ.

Κάθε αντικείμενο χαρακτηρίζεται από τις σημασιολογικές πληροφορίες που το ορίζουν. Οι κατηγορίες μπορεί να είναι υλικές (π.χ. τοίχος, πάτωμα, ταβάνι κλπ.) και αφηρημένες (κόστος, διαδικασία κατασκευής, σχέσεις μεταξύ κατηγοριών κλπ.).

Η διαδικασία του "as-built" BIM είναι κυρίως μια χειρωνακτική διαδικασία που μπορεί να είναι χρονοβόρα. Ειδικότερα η μοντελοποίηση ενός ιστορικού κτιρίου μπορεί να είναι πολύ δύσκολη.

Η αυτοματοποίηση της διαδικασίας είναι πολύ δύσκολη για πολλούς λόγους. Πρώτον, τα ψηφιακά μοντέλα των κτιρίων μπορεί να είναι πολύπλοκα και να περιλαμβάνουν συνιστώσες που δεν είναι συνδεδεμένες. Αυτού του είδους οι συνιστώσες δεν μπορούν να παρουσιαστούν στο τελικό BIM. Στη συνέχεια, τα εισαγόμενα δεδομένα μπορεί να είναι ανεπαρκή και τα παραγόμενα δεδομένα να ποικίλλουν ανάλογα με τις λεπτομέρειες της μοντελοποίησης και τις προσδοκίες των χρηστών. Όλες αυτές οι δυσκολίες γίνονται πιο έντονες στην περίπτωση των ιστορικών κτιρίων.

Η τρέχουσα βιβλιογραφία προτείνει αυτόματες προσεγγίσεις "as-built" BIM που θα μπορούσαν να ταξινομηθούν σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: ευριστικές προσεγγίσεις, προσεγγίσεις βασισμένες στο πλαίσιο, προσεγγίσεις βασισμένες σε προηγούμενες γνώσεις και προσεγγίσεις βασισμένες σε οντολογίες.

Σε αυτό το πεδίο, οι μελέτες βρίσκονται στα αρχικά τους στάδια και οι περισσότερες μέθοδοι, όπως οι ευριστικές προσεγγίσεις, βασίζονται σε μια πρώτη διακριτοποίηση της σκηνής. Αυτές οι προσεγγίσεις χρησιμοποιούν την ανθρώπινη γνώση που ανήκει στον αρχιτεκτονικό τομέα για την κωδικοποίηση των σχέσεων μεταξύ στοιχείων όπως πόρτες, παράθυρα και στέγες σε ένα κτίριο.

Οι προσεγγίσεις μοντελοποίησης βασισμένες στο πλαίσιο χρησιμοποιούν τις σχέσεις μεταξύ συστατικών για τη μοντελοποίηση αντικειμένων. Μια προσέγγιση εφαρμόζεται για τη μοντελοποίηση ενός δωματίου με βάση σχέσεις μεταξύ επιφανειών. Ο αλγόριθμος ανιχνεύει επιφανειακά επιθέματα και τα ταξινομεί βάσει συναφών σχέσεων. Οι προσεγγίσεις αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αυτόματη μετατροπή των σημείων σε πολύπλοκες σκηνές.

Μια άλλη προσέγγιση μοντελοποίησης "as-built" είναι η μέθοδος αναγνώρισης βασισμένη σε προηγούμενες γνώσεις. Αυτή η προσέγγιση ακολουθεί την αρχή του εντοπισμού των διαφορών που υπάρχουν μεταξύ των συνθηκών του "as-built" και "as-designed". Σε αυτόν τον τύπο προσέγγισης, το πρόβλημα αναγνώρισης μειώνεται σε ένα απλό πρόβλημα προσαρμογής ή αντιστοίχισης μεταξύ των οντοτήτων της σκηνής και του Point Cloud.

Μια τελευταία προσέγγιση μοντελοποίησης είναι η προσέγγιση βασισμένη σε οντολογίες. Αυτή η μέθοδος, χρησιμοποιεί προϋπάρχουσες γνώσεις αντικειμένων και περιβάλλοντος. Η γνώση εξάγεται από βάσεις δεδομένων, αρχεία CAD, GIS, τεχνικές εκθέσεις ή εξειδικευμένη γνώση συγκεκριμένων πεδίων. Συνεπώς, δημιουργείται η βάση ενός επιλεκτικού εντοπισμού και αναγνώρισης αντικειμένων σε Point Clouds βάσει της γνώσης.

Όλες οι προσεγγίσεις που αναφέρθηκαν προηγουμένως εντοπίζουν κάποια ή όλα τα χαρακτηριστικά στοιχεία μιας σκηνής. Η απόδοσή τους και η αποτελεσματικότητά τους σχετίζονται με την πολυπλοκότητα της σκηνής.

Η κριτική ανάλυση των προσεγγίσεων "as-built" BIM αποκαλύπτει ότι ενώ αυτές οι μέθοδοι μπορεί να αναγνωρίζουν αποτελεσματικά στοιχεία εντός μιας σκηνής, συχνά αποτυγχάνουν στο να εμπλουτίσουν σημασιολογικά τα Point clouds. Ο απλός εντοπισμός αρχιτεκτονικών αντικειμένων όπως τοίχοι ή παράθυρα δεν είναι αρκετός. Είναι κρίσιμο να καθοριστούν οι σχέσεις μεταξύ των συστατικών και των χαρακτηριστικών τους, ειδικά οι χωρικές σχέσεις. Για παράδειγμα, ένας τοίχος πρέπει όχι μόνο να ανιχνευθεί αλλά και να προσδιοριστεί σε σχέση με το έδαφος, τους γειτονικούς τοίχους και τη σύνθεσή του.

Οι προσεγγίσεις "as-built" ενδέχεται να λειτουργούν καλύτερα για επίπεδες επιφάνειες και απλές σκηνές, αλλά είναι ανεπαρκείς για τη μοντελοποίηση ιστορικών κτιρίων λόγω των πολύπλοκων σχημάτων τους και την απόκλισή τους από τυπικές γεωμετρίες (μη καθετότητα τοίχων, πολύπλοκα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά, κα). Επιπλέον, οι αλλοιώσεις με την πάροδο του χρόνου δυσκολεύουν τις προσπάθειες μοντελοποίησης. Για παράδειγμα, τα στοιχεία με λεπτομέρειες (πχ κιονόκρανα) μπορεί να αλλοιωθούν σημαντικά, καθιστώντας δύσκολο το να αναπαρασταθούν με ακρίβεια τα αρχικά τους σχήματα. Μελέτη του Murphy M. (2011) προσπάθησε να αντιμετωπίσει αυτά τα θέματα δημιουργώντας μια βιβλιοθήκη παραμετρικών αντικειμένων βασισμένη σε ιστορικά δεδομένα, γνωστή ως HBIM (Ιστορική Μοντελοποίηση Πληροφοριών Κτιρίων).

Παραπάνω αναλύθηκαν οι τεχνικές δημιουργίας και κατηγοριοποίησης σημείων των Point Clouds καθώς και των τρεχουσών μεθόδων εμπλουτισμού των δεδομένων. Με στόχο την απόκτηση εμπλουτισμένων τρισδιάστατων μοντέλων, αυτές οι προσεγγίσεις είναι συμπληρωματικές και χρησιμοποιούνται διαδοχικά: το στάδιο δημιουργίας παράγει μη δομημένα Point Clouds, τα οποία στη συνέχεια κατηγοριοποιούνται χρησιμοποιώντας διάφορους αλγορίθμους, οδηγώντας στην κατασκευή και τον εμπλουτισμό του τρισδιάστατου μοντέλου. Αν και αποτελεσματική για μοντέρνα κτίρια, αυτή η προσέγγιση δεν είναι επαρκής στα ιστορικά κτίρια λόγω της πολυπλοκότητάς τους. Επομένως, προτείνεται μια εναλλακτική προσέγγιση που επικεντρώνεται στον εμπλουτισμό του τρισδιάστατου μοντέλου στα πρώιμα στάδια απόκτησης δεδομένων και κατηγοριοποίησης, προσαρμοσμένη στις συγκεκριμένες ανάγκες των ιστορικών κτιρίων. Αυτή η προσέγγιση στοχεύει στην καθιέρωση ενός άμεσου συνδέσμου μεταξύ της απόκτησης και του τελικού "as-built" BIM, αναθέτοντας σημασιολογικά χαρακτηριστικά σε ιστορικά αντικείμενα κατά τα στάδια της έρευνας και της κατηγοριοποίησης.