Using of Terrestrial Laser Scanners at Cave Surveying (A Case Study at Tozman Cave)

Year 2013, Volume: 5 Issue: 2, 16 - 28, 01.06.2013

Uğur Avdan Emrah Pekkan Resul Çömert

Abstract

Underground cavities that people can embark and explore are called caves. Caves house unique structures that are formed in a long time due to the action of various forces including geologic periods, water erosion, chemical periods, hydrothermal activity and tectonic periods. Since the caves are alive and are in their natural process of formation, presence of visitors cause undesirable effects, such as reduced geological activity and moss formation. Therefore successful cave tourism, several advanced engineering applications should be implemented in order to assure the safety of visitors and the precious geological resources and the cave itself. High resolution three-dimensional maps are required for these engineering applications. Multi-functional cave maps are used for illuminate to hydrogeological (physical and chemical) variation and to identify groundwater pollution sources draining into the caves. Furthermore such detailed documentation and cartography of caves that houses unique ruins are important for archeological investigations. This can lead to an important interdisciplinary research emphasis in the future. Methods used for generating such cave maps can be tailored according to the caves condition and equipment that can be transported underground. Recently significant advances have been made in cave surveying and associated technologies. Particularly, terrestrial laser scanners, have evolved to be an extremely versatile equipment that are used in many cutting-edge research projects. These scanners are used for the producing cave maps and three dimensional cave models. Using the terrestrial laser scanners, and field data it is possible to acquire accurate, rapid, detailed, and 3D geological data about scanned objects. Results of processing of obtained data with computer programs, it is possible to produce computational predictive models and fictional maps for objects and areas. In this study, Tozman Cave which is boundaries of Bilecik was scanned for the aim of investigation the usability of terrestrial laser scanner at cave surveying and cave modeling. Within the scope of the study, entrance of cave was scanned 5 different scan position and 3D point clouds were obtained for the cave. Processing the obtained data in computer plan, profile drawing and 3D models were produced for the entrance of the cave. Results of study showed that terrestrial laser scanners are ideal tools for acquiring detailed, accurate and 3D data at the cave surveying. Keywords: Cave Surveying, Terrestrial Laser Scanning, 3D Model

Keywords

Cave Surveying, Terrestrial Laser Scanning, 3D Model

Mağara Ölçümlerinde Yersel Lazer Tarayıcıların Kullanılması (Tozman Mağarası Örneği)

Abstract

İnsanın girebileceği yeraltı boşluklarına mağara denilmektedir. Mağaraların içerisinde, jeolojik süreçler, su aşındırması, kimyasal süreçler, hidrotermal aktivite ve tektonik süreçler gibi farklı kuvvetlerin etkisi altında, uzun sürede oluşan, eşsiz yapılar bulunmaktadır. Mağaralar, insan etkisine çok açık doğal ve hassas oluşumlar olduğu için gerek turizme açıldıktan sonra, gerekse turizme açılmadan önce, oluşumların gelişmesinde yavaşlamalar, yosunlaşmalar gibi istenmeyen etkiler ortaya çıkmaktadır. Dolayısı ile turistik mağaraların içerisinde, hem ziyaretçilerin hem de mağaraların en az zararı görmesi için birçok mühendislik uygulamalarının yapılması gerekmektedir. Bu uygulamalar için yüksek detay içeren haritalara gereksinim duyulmaktadır. Mağara haritaları, bulundukları ortamlarda hüküm süren hidrojeolojik (fiziksel ve kimyasal) süreçlerin aydınlatılması ve yeraltısuyu kirlenme odaklarının tespit edilmesi aşamalarında kullanılmaktadır. Diğer taraftan, Arkeolojik öneme sahip mağaralarda ise ender kalıntıların bulunduğu bölgelerin belgelenmesi evresinde kullanılmasının yanı sıra, ileride yapılacak başka çalışmaların da önünü açabilir. Günümüzde mağara haritalarının üretilmesi için kullanılan yöntemler, mağaraların durumu ve yer altında bulundurulabilecek aletlerin türüne göre farklılık göstermektedir. Gelişen teknoloji ile beraber mağara ölçümlerinde kullanılabilen cihaz ve yöntemlerde değişmektedir. Son yıllarda kendine birçok kullanım alanı bulan yersel lazer tarayıcılar, mağara haritalarının oluşturulması ve modellerinin hazırlanması için de kullanılabilmektedir. Yersel lazer tarayıcılar kullanılarak taranan nesnelere ait hassas, hızlı, detaylı ve 3 boyutlu veril Bu çalışmada, yersel lazer tarayıcıların mağara haritalarının oluşturulması ve modellenmesinde kullanılabilirliğini araştırmak amacıyla, Bilecik sınırları içinde yer alan Tozman mağarasında belgeleme çalışması yapılmıştır. Çalışma kapsamında mağaranın giriş bölümü 5 farklı noktadan er elde etmek mümkündür. Elde edilen verilerin bilgisayar programları ile işlenmesi sonucunda, nesnelere ve alanlara ait 3 boyutlu modellerin ve haritaların üretilmesi mümkündür. taranmış ve mağaranın giriş bölümüne ait 3 boyutlu nokta bulutu elde edilmiştir. Elde edilen veriler bilgisayar ortamında işlenerek mağaranın giriş bölümüne ait, plan, kesit çizimleri ve 3 boyutlu modeller oluşturulmuştur. Çalışmada elde edilen sonuçlar, yersel lazer tarama yönteminin mağara ölçümlerinde detaylı, hassas ve 3 boyutlu veri elde etmek için uygun bir yöntem olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Mağara Ölçümleri, Yersel Lazer Tarama, 3 Boyutlu Modelleme.

Keywords

Mağara Ölçümleri, Yersel Lazer Tarama, 3 Boyutlu Modelleme

References

• A. Roncat, A., Dublyansky, Y., Spötl, C., Dorninger, P." Full-3D Surveying of Caves: A Case Study of Märchenhöhle (Austria)" Peer-reviewed IAMG 2011 publication doi:10.5242/iamg.2011.0074.
• Mağaracılıkta Ölçme Bilgisi ve Haritacılık, TMB, Eğitim Yayınları fasikül ÖU 3- 2007.
• Al-Khedera, S., Al-Shawabkeh, Y., Haala, N.,"Developing a Documentation System for Desert Palaces in Jordan Using 3D Laser Scanning and Digital Photogrammetry", Journal of Archaeological Science 2009, vol: 36, Issue: 2 pages: 537-546
• Lichti, D. D., Gordon, S. J.,"Error Propagation in Directly Georeferenced Terrestrial Laser Scanner Point Clouds for Cultural Heritage Recording", FIG Working Week, Athens, Greece, May 22-27, 2004.
• Reshetyuk, Y. "Self-Calibration and Direct Georeferencing in Terrestrial Laser Scanning", Doctoral thesis in Infrastructure, Geodesy, Royal Institute of Technology (KTH), Department of Transport and Economics Division of Geodesy, 2009.
• Böhler, W., Marbs, A. "3D scanning instruments", ISPRS/CIPA International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recoding , Corfu, Greece, 2002 pages.9-12
• Yastikli, N. "Documentation of Cultural Heritage Using Digital Photogrammetry and Laser Scanning", Journal of Cultural Heritage, 2007 vol. 8 issue. (4): pages 423-427.
• Diego González-Aguilera, G. D., Nieto , M. A., Lahoz, G. J., Pascual, H. J. Gabriel Gutierrez-Alonso G. G. "3D Digital Surveying and Modelling of Cave Geometry:Application to Paleolithic Rock Art", Sensors, 2009, vol:9 pages 1108-1127.
• S. Larsson, J.A.P. Kjellander " Motion control and data capturing for laser scanning with an industrial robot" Robotics and Autonomous Systems 54 (2006) 453–460.
• B. Riveiro, P. Morer, P.Arias, I. DE ARTEAGA "Terrestrial Laser Scanning and Limit Analysis of Masonry Arch Bridges", Construction and Building Materials, 2011 vol:25 issue (4): pages 1726- 1735.
• A. Abellán , J. Calvet, J. M. Vilaplana, J. Blanchard "Detection and spatial prediction of rockfalls by means of terrestrial laser scanner monitoring" Geomorphology 119 (2010) 162–171.
• Ergincan F., Çabuk A., Avdan U., Tun, M., "Advanced technologies for archaeological documentation: Patara case", Scientific Research and Essays Vol. 5(18), pp. 2615-2629, 18 September, 2010.
• Dunning S. A., Massey C.I., Rosser N.J., "Structural and geomorphological features of landslides in the Bhutan Himalaya derived from Terrestrial Laser Scanning", Geomorphology, 2009, pp.17-29.
• B.Kordic, A. Dapo and B. Pribicevic "Application of Terrestrial Laser Scanning in the Preservation of Fortified Caves" FIG Working Week 2012 Knowing to manage the territory, protect the environment, evaluate the cultural heritage Rome, Italy, 6-10 May 2012.
• Buchroıthner, F. M., Gaısecker, T., Gaısecker, D., Österreich, H., "Terrestrial Laser Scanning for the Visualization of a Complex Dome in an Extreme Alpine Cave System", Geoinformation, 4/2009, pp.329-339.
• http://www.tayproject.org/Magara.fm$Retrieve?MagaraNo=12033&html=cave_detail_t.html&layout =web
• Aydın H., “Harmanköy-Beyyayla (Bilecik) Karst Sisteminin Morfoloji-Hidrojeoloji İlişkileri Açısından İncelenmesi”, Hacettepe Üniversitesi, fen Bilimleri enstitüsü, Doktora Tezi, Ankara, 2005
• Nazik,L., Törk, K., Acar, C., Özel, E., Mengi, H., Aksoy, B., Tuncer, K., Güner, İ. N., Ekmekçi, M. ve Başal, A. “Orta Sakarya Havzasının (Eskişehir ve Bilecik doğusu) Doğal Mağaraları”, Jeoloji Etüdler Dairesi, MTA Derleme No: 10420, Ankara, 179 s, 2001
• Riegl Laser Measurement Systems, Terrestrial Laser Scanner LMS-390i Technical Documentation ad Users Instructions.
• Çömert, R., Avdan, U., Tün, M., Ersoy, M. "Mimari Belgelemede Yersel Lazer Tarama Yönteminin Uygulanması (Seyitgazi Askerlik Şubesi Örneği)", Harita Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt 4, Sayı 1, Sayfa 1-18, 2012
• Geomagic Studio Online Help (v2012).