Mapowanie jaskiń 3D za pomocą ręcznego i naziemnego skanowania laserowego

Autor: Tommaso Santagata

W północnych Włoszech, w przedalpejskim regionie Reggio Emilia znajduje się "Tana della Mussina", jaskinia znana z archeologicznych artefaktów znalezionych podczas wykopalisk przeprowadzonych w 1872 roku przez Gaetano Chierici. W ramach projektu badawczego realizowanego wraz z lokalną grupą speleologiczną - GSPGC - wirtualna agencja geograficzna Vigea zeskanowała w 3D wejście do tego systemu jaskiń przy użyciu ręcznego skanera laserowego Leica BLK2GO.

Mobilne skanowanie pozwoliło zespołowi kierowanemu przez Tommaso Santagata z Vigea odwzorować większą część jaskini niż w poprzednich badaniach, dzięki mniejszym rozmiarom sprzętu, mniejszej wadze oraz szybkości skanowania. Technika ta ma potencjał, aby umożliwić badaczom jaskiń uchwycenie szczegółów 3D w trudnych miejscach.

Mapowanie 3D Tana della Mussina

Projekt został zorganizowany przez grupę speleologiczną GSPGC i stowarzyszenie speleologiczne FSRER. Od 1967 roku GSPGC prowadzi eksplorację, badania i studia nad światem podziemnym we Włoszech i na świecie. Grupa odkryła i zbadała wiele jaskiń, często o znacznym stopniu złożoności i głębokości. Współpracuje z większością włoskich grup speleologicznych, zarówno regionalnych, jak i krajowych, w zakresie eksploracji i badań.

Tana della Mussina jest częścią systemu jaskiń Cà Speranza-Mussina, który sam jest częścią gipsu mesyńskiego (datowanego na 5,6-6 milionów lat). Gips rozwinął się wraz z serią nieciągłych wychodni kredowych, charakteryzujących się obecnością licznych zapadlisk, w wielu przypadkach zatkanych osuwiskami gliny i margla, które odprowadzają wody powierzchniowe zasilające systemy krasowe. Kras to obszar terenu utworzony z rozpuszczalnych skał, takich jak wapień, dolomit i gips. Gaetano Chierici, który odkrył jaskinię w 1872 roku, znalazł w niej szczątki ludzkie z okresu eenolitu (trzecie tysiąclecie p.n.e.) oraz ceramiczne, krzemienne i miedziane artefakty.

Naziemny skaning laserowy a mapowanie mobilne w systemach jaskiniowych

Instrumenty naziemnego skanowania laserowego (TLS) są coraz częściej wykorzystywane do tworzenia map 3D naturalnych i sztucznych jaskiń na potrzeby badań, zapewniając wysoki poziom dokładności szczegółów. Jednak nie zawsze możliwe jest stworzenie kompletnej mapy. Środowiska podziemne są z natury wymagające, mogą być trudno dostępne przez wąskie i niskie przejścia, mogą zawierać wysoki poziom wody, a ich niskie temperatury utrudniają badania.

"Czasami istnieją ograniczenia w użyciu skanerów laserowych, które wymagają statywów lub muszą być trzymane w trudnych pozycjach, aby bezpiecznie pracować, co ogranicza możliwość skanowania 3D niektórych złożonych środowisk jaskiniowych. Ręczne skanery laserowe są nowszymi urządzeniami, które są w stanie zapewnić trójwymiarową chmurę punktów środowiska podczas chodzenia. Tego typu technologia może być wykorzystywana do niemal kompletnego skanowania systemów jaskiniowych, dzięki możliwości poruszania się znacznie wygodniej i szybszego wykrywania", wyjaśnia Santagata.

Testowanie ręcznego skanera obrazowego BLK2GO w Tana della Mussina

W ramach projektu GSPGC i FSRER, Tana della Mussina była obiektem badań skanowania 3D w 2019 i 2020 roku. W pierwszym badaniu jaskinia została zeskanowana 3D przy użyciu wysokiej rozdzielczości skanera laserowego 3D Leica ScanStation P40 oraz ręcznego, bezprzewodowego i lekkiego skanera laserowego BLK2GO. Pozyskane dane zostały przetworzone w celu stworzenia map topograficznych. W czerwcu 2020 roku skaner BLK2GO został przetestowany w celu zeskanowania 3D tej samej części jaskini, która została już zmapowana w poprzedniej kampanii.

Santagata wyjaśnia proces mapowania: "Zintegrowany z inercyjną jednostką pomiarową (IMU), BLK2GO pozwolił nam na mapowanie 3D i pozyskiwanie danych RGB w celu uzyskania kolorowych chmur punktów 3D. BLK2GO odtwarza przestrzeń w 3D w trakcie ruchu użytkownika. W połączeniu z iPhonem i przy użyciu dedykowanej aplikacji Leica Geosystems, pozwoliło nam to na podgląd wyników w czasie rzeczywistym i sterowanie instrumentem, z możliwością wykonywania zdjęć i dodawania GeoTagów, które będą widoczne w wyeksportowanych chmurach punktów."

Przyszłość skanowania jaskiń - połączenie instrumentów zapewniających swobodę i wysoką rozdzielczość

Santagata odnosi się do sukcesu projektu i potencjału mobilnego mapowania w scenariuszach jaskiniowych, "Nowe innowacje w technologii skanowania laserowego 3D mogą przynieść postęp w speleologii, zwłaszcza dzięki zastosowaniu przenośnych systemów mapowania. Ręczne, mobilne narzędzia do mapowania, takie jak BLK2GO, są w stanie uzyskać inne szczegóły niż tradycyjne systemy skanerów laserowych (które mogą zagwarantować znacznie większą precyzję i wyższą rozdzielczość), pozwalając nam na wykrywanie w 3D w podziemnych środowiskach z większą swobodą."

A co najważniejsze, dzięki integracji różnych systemów, możliwe jest uzyskanie większej szczegółowości w interesujących nas obszarach za pomocą naziemnego skanera laserowego oraz uzyskanie szybkiego globalnego odwzorowania środowiska w krótkim czasie za pomocą systemów ręcznych - co daje idealny rezultat."

Zobacz projekty w 3D:
Test w jaskini 
Opracowanie danych wewnątrzr od Valerio Brunelli
Opracowanie danych zewnętrznych od Valerio Brunelli

Kluczowe osoby zaangażowane w projekt: Tommaso Santagata (Vigea - Wirtualna Agencja Geograficzna), Valerio Brunelli (Leica Geosystems Włochy) and Stefano Bergianti (Gruppo Speleologico Paletnologico Gaetano Chierici di Reggio Emilia).

Więcej informacji:
DE WAELE, J., FABBRI, S., SANTAGATA, T., CHIARINI, V., COLUMBU, A., PISANI, L.(2018) Obserwacje geomorfologiczne i speleogenetyczne z wykorzystaniem naziemnego skaningu laserowego i fotogrametrii 3D w jaskini gipsowej (Emilia Romagna, N. Włochy). Geomorfologia, 319, 47-61.