Tworzenie interaktywnego modelu 3D jaskini w znanym na całym świecie lodowcu

Autor: Tommaso Santagata, Farouk Kadded

Lodowiec Perito Moreno w Argentynie jest jedną z najważniejszych naturalnych atrakcji turystycznych na świecie. Jego powierzchnia jest badana przez odkrywców i geologów od XIX wieku, ale zagłębienia w lodowcu są zbyt niebezpieczne, by eksplorować je pieszo. W 2017 roku projekt badawczy zorganizowany przez włoskie La Venta Esplorazioni Geografiche i francuskie stowarzyszenia Spélé'Ice wyruszył w celu zbadania wejścia do jaskini na skraju lodowca przy użyciu naziemnego skanowania laserowego (TLS) i bezzałogowych statków powietrznych (UAV). Jednym z celów projektu było zarejestrowanie informacji, które mogłyby zostać wykorzystane w przyszłości do badania szybkości topnienia lodu lodowcowego. Zebrane dane ze skanowania trójwymiarowego zostały później wykorzystane do stworzenia interaktywnej mapy 3D, którą zespół udostępnił publicznie.

Bliżej lodowca Perito Moreno dzięki mapowaniu 3D

Lodowiec Perito Moreno znajduje się w Parku Narodowym Los Glaciares w Południowym Patagońskim Polu Lodowym, największej masie lodowej strefy umiarkowanej na półkuli południowej. Ma powierzchnię ponad 250 km² i rozciąga się na długości 30 km od Lago Argentino na wschód w kierunku granicy z zachodnią częścią Chile. Jego stosunkowo stabilny stan uczynił go jednym z najbardziej znanych atrakcji turystycznych w Argentynie, przyciągając prawie sto tysięcy odwiedzających każdego roku.

Niewiele wiadomo o jaskiniach lodowca, ponieważ są one zbyt niebezpieczne do eksploracji; ze stropów jaskiń nieustannie spadają duże kawałki lodu. W ramach projektu MaGPat (Microorganisms and Glaciers in Patagonia), La Venta Esplorazioni Geografiche i francuskie Spélé’Ice zorganizowały w 2017 roku jedno z pierwszych badań jaskiń na tym obszarze. Głównymi celami dla badaczy było zbadanie mikroorganizmów żyjących na lodowcu oraz zmapowanie jak największej części jaskini. Jedynym zagłębieniem, które można było przebadać, była ciekawa jaskinia kontaktowa wydrążona przez strumień bezpośrednio zasilający lodowiec. Skaner laserowy firmy Leica Geosystems posłużył do wykonania trójwymiarowej mapy pierwszych kilkudziesięciu metrów wnętrza jaskini oraz wejścia do niej. 

Detale z odległości za pomocą skanera Leica ScanStation P40

Technologia skanowania laserowego 3D okazała się przełomowa dla badań geograficznych, wyjaśnia Tommaso Santagata z La Venta, "Techniki te są coraz częściej wykorzystywane w badaniach geologicznych, np. w jaskiniach lub do obliczania powierzchni lodu i zmian jego objętości. Technologie skanowania laserowego 3D mogą w ciągu kilku minut zebrać miliony punktów reprezentowanych przez współrzędne 3D, o bardzo dużej gęstości przestrzennej, na złożonych, wielowymiarowych powierzchniach. Gęste chmury punktów zawierają ogromną ilość danych, które mogą być wykorzystane do prezentacji i analizy."

W badaniach na Perito Moreno zespół wykorzystał skaner Leica ScanStation P40, który może pozyskiwać wysokiej jakości dane 3D oraz obrazowanie HDR (High-Dynamic Range) z odległości 270 metrów. Skaner laserowy 3D został umieszczony w bezpiecznej odległości, aby zebrać dane o powierzchni lodowca i wejściu do jaskini. Skaner był sterowany za pomocą tabletu Leica CS35, który posłużył zespołowi do sprawdzenia częściowo przetworzonych danych, gdy byli jeszcze w terenie. W ten sposób zespół mógł się upewnić, że badania przebiegają zgodnie z planem, a jednocześnie mógł wprowadzać zmiany. Specjalny aparat fotograficzny zintegrowany ze skanerem został wykorzystany do tworzenia kolorowych chmur punktów i wykonywania zdjęć panoramicznych 360°.

Santagata wyjaśnia proces: "Wykonano około ośmiu skanów laserowych, aby uzyskać niezbędne dane. Operacje te zajęły około dwóch godzin i zostały wykonane późnym popołudniem, aby obszar nie był bezpośrednio oświetlony przez słońce. Skany laserowe zostały wykonane z rozdzielczością 6mm i 3mm (które reprezentują odległość każdego pojedynczego punktu mierzoną w odległości 10m od skanera laserowego) oraz pozyskanie zdjęć za pomocą wewnętrznej kamery instrumentu." Dodatkowo przeprowadzono loty fotogrametryczne z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych latających z wysokości od 30 do 70m.

Leica GS16 - samouczący się inteligentny odbiornik GNSS - został wykorzystany do pomiarów, zarówno do wyznaczenia punktów kontrolnych dla pomiarów fotogrametrycznych, jak i do pomiaru zmian prędkości i wysokości wzdłuż północno-południowego pasa lodowca. Został on również sparowany z tabletem CS35, dzięki czemu dane mogły być przetwarzane bezpośrednio w terenie. 

Wizualizacja danych 3D przy użyciu Leica Cyclone

Zespół pomiarowy wykorzystał oprogramowanie do przetwarzania chmur punktów 3D Leica Cyclone, aby wyrównać chmury punktów i stworzyć model 3D. Model został następnie poddany dalszej obróbce za pomocą oprogramowania Leica Cyclone 3DR, aby stworzyć materiały projektowe. Cyclone 3DR obsługuje większość standardowych formatów, więc zespół mógł połączyć dane ze skanowania laserowego ze zdjęciami wykonanymi przez UAV, aby stworzyć wymagany model. Aby udostępnić dane 3D kolegom spoza zespołu, Santagata skorzystał z bezpłatnej przeglądarki JetStream Viewer firmy Leica Geosystems, która umożliwia każdemu - nawet osobom bez doświadczenia w modelowaniu 3D - łatwe przeglądanie i manipulowanie chmurami punktów.

Dzielenie się informacjami ze środowiskiem naukowym i nie tylko

Santagata wyjaśnia, że szczegółowe modele 3D lodowca dają badaczom dokładny zapis, na podstawie którego można zmierzyć zmiany zachodzące w lodzie: "Możliwość posiadania takich technologii we właściwym momencie i właściwym miejscu pozwoliła nam wykorzystać je do uzyskania danych, które w przyszłości mogą posłużyć do porównania ewolucji tej części lodowca".

Po wyprawie powstały zdjęcia 360° z modeli 3D oraz interaktywny model 3D, aby pokazać wyniki każdemu, kto interesuje się tym obszarem. Na Międzynarodowym Spotkaniu Speleologicznym we Włoszech w 2019 roku można go było oglądać za pomocą okularów wirtualnej rzeczywistości, a teraz żyje on w sieci.

Obejrzyj model 3D jaskini kontaktowej w lodowcu Perito Moreno.
Obejrzyj niektóre z najważniejszych momentów ekspedycji na lodowiec.

Organizacje zaangażowane w projekt: Park Narodowy Los Glaciares, La Venta, Spélé’Ice, Uniwersytet Mediolański-Bicocca, Muzeum Historii Naturalnej w Paryżu, Paryski Uniwersytet Diderota, Uniwersytet Florencki, Uniwersytet Boloński i Vigea – Wirtualna Agencja Geograficzna.

Skaning laserowy i badania GNSS zostały przeprowadzone we współpracy z Farouk Kadded z Leica Geosystems France, który jest członkiem stowarzyszenia Spélé'Ice.