Using LiDAR and UAV Photogrammetry Methods for Cultural Heritage Preservation

Abstract

In this study, the comparison and integration of terrestrial laser scanning and UAV photogrammetry point cloud data was carried out by taking the Historical Nusret Mine Ship in Tarsus District of Mersin Province in Turkey as an example. The main purpose of this study is to evaluate the differences between a point cloud obtained from a terrestrial laser scanner and a point cloud obtained from UAV photogrammetry. Additionally, the accuracy of two integrated point clouds, one produced with a traditional approach and the other with a new registration approach, were investigated. In the field of cultural heritage documentation, the goal is to create a complete and accurate 3D model of the object of interest. If large objects with a complex structure are to be digitized, as in this study, data coverage in all areas must be guaranteed. Both terrestrial laser scanning and UAV photogrammetry have different viewing angles, resulting in different coverage of the area being examined. After comparing the point cloud outputs of both methods, it can be concluded that only the combination of both point clouds can achieve the full coverage of the desired artifact. In addition to data coverage, the data obtained must also be accurate. Comparing the accuracies of point clouds, it can be said that only a terrestrial laser scanner can guarantee constant relative and absolute accuracy in all areas. UAV photogrammetry point cloud provides sufficient accuracy in important parts of the point cloud, but the error rate and probability of error are much higher than laser scanner. Because photogrammetry point cloud accuracy is difficult to verify, errors can easily go undetected. It can only be assumed that with calibrated laser scanners all points are measured with high accuracy. Both integration approaches have shown that integration of laser data and photogrammetry data is no longer a barrier and that innovative registration approaches are already showing promising results.

Keywords

• Cultural heritage
• documentation
• 3D
• photogrammetry
• laser scanner
• hybrid documentation

Kültürel Mirasların Korunmasına Yönelik LiDAR ve İHA Fotogrametrisi Yöntemlerinin Birlikte Kullanımı

Abstract

Bu çalışmada, Türkiye'deki Mersin İli Tarsus İlçesindeki Tarihi Nusret Mayın Gemisi örnek alınarak yersel lazer tarama ve İHA fotogrametri nokta bulutu verilerinin karşılaştırılması ve entegrasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın temel amacı, yersel lazer tarayıcıdan elde edilen bir nokta bulutu ile İHA fotogrametriden elde edilen bir nokta bulutu arasındaki farkların değerlendirilmesidir. Ayrıca, biri geleneksel yaklaşımla diğeri yeni bir çakıştırma yaklaşımıyla üretilen iki bütünleşik nokta bulutunun doğrulukları araştırılmıştır. Kültürel miras dokümantasyonu alanında amaç, ilgilenilen nesnenin eksiksiz ve doğru bir 3B modelini oluşturmaktır. Bu çalışmadaki gibi kompleks yapıdaki büyük nesnelerin sayısallaştırılması isteniyorsa, tüm alanlarda veri kapsamının garanti edilmesi gerekir. Hem yersel lazer tarama hem de İHA fotogrametrisi farklı görüş açılarına sahiptir ve bu da incelenen alanın farklı şekilde kapsanmasına neden olur. Her iki yöntemin nokta bulutu çıktıları karşılaştırıldıktan sonra, yalnızca her iki nokta bulutunun kombinasyonu ile istenen eserin tam kapsamının sağlanabileceği sonucuna varılabilir. Veri kapsamının yanı sıra, elde edilen verilerin de doğru olması gerekir. Nokta bulutlarının doğrulukları karşılaştırıldığında, yalnızca bir yersel lazer tarayıcının tüm alanlarda sabit göreceli ve mutlak doğruluğu garanti edebileceği söylenebilir. İHA fotogrametri nokta bulutu, nokta bulutunun önemli bölümlerinde yeterli doğruluk sağlar, ancak hata oranı ve hata olasılığı lazer tarayıcıdan çok daha yüksektir. Fotogrametri nokta bulutu doğruluğunun zor doğrulanması nedeniyle, hataların tespit edilmemesi kolaylıkla gerçekleşebilir. Sadece kalibre edilmiş lazer tarayıcılar ile tüm noktaların yüksek doğrulukla ölçüldüğü varsayılabilir. Her iki entegrasyon yaklaşımı da lazer verileri ile fotogrametri verilerinin entegrasyonunun artık bir engel olmadığını ve yenilikçi çakıştırma yaklaşımlarının şimdiden umut verici sonuçlar verdiğini göstermiştir.

Keywords

• Kültürel miras
• belgeleme
• 3B
• fotogrametri
• lazer tarayıcı
• hibrit belgeleme

References

1. Abbas, M. A., Lichti, D. D., Chong, A. K., Setan, H., Majid, Z., Lau, C. L., ... & Ariff, M. F. M. (2017). Improvements to the accuracy of prototype ship models measurement method using terrestrial laser scanner. Measurement, 100, 301-310.
2. Agüera-Vega, F., Carvajal-Ramírez, F., & Martínez-Carricondo, P. (2017). Assessment of photogrammetric mapping accuracy based on variation ground control points number using unmanned aerial vehicle. Measurement, 98, 221-227.
3. Ağca, M., Efdal, K., Murat, H. M., & Adıgüzel, F. (2016). Yersel Lazer Tarayıcı ve İha Sistemlerinden Elde Edilen Verilerin 3B Modellemedeki Hassasiyetlerinin Karşılaştırılması: Somuncu Baba Külliyesi Örneği, Aksaray. 6. Uzaktan Algılama-Cbs Sempozyumu (UZAL-CBS 2016), 146-151.
4. Aicardi, I., Chiabrando, F., Lingua, A. M., & Noardo, F. (2018). Recent trends in cultural heritage 3D survey: The photogrammetric computer vision approach. Journal of Cultural Heritage, 32, 257-266.
5. Aldao, E., González-Jorge, H., & Pérez, J. A. (2021). Metrological comparison of LiDAR and photogrammetric systems for deformation monitoring of aerospace parts. Measurement, 174, 109037.
6. Alptekin, A., Fidan, Ş., Karabacak, A., Çelik, M. Ö., & Yakar, M. (2019). Üçayak Örenyeri'nin yersel lazer tarayıcı kullanılarak modellenmesi. Türkiye Lidar Dergisi, 1(1), 16-20.
7. Altuntaş, C., & Yıldız, F. (2008). Yersel lazer tarayıcı ölçme prensipleri ve nokta bulutlarının birleştirilmesi. Jeodezi ve Jeoinformasyon Dergisi, (98), 20-27.
8. Atik, M. E., & Duran, Z. (2021). Lokal özellik temelli yöntemler kullanılarak 3B yüz tanıma ve doğruluk analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36(1), 359-372.

9. Balcı, D. (2022). Kültürel mirasın belgelenmesinde lazer tarayıcıların kullanılması. Türkiye Lidar Dergisi, 4(1), 27-36.
10. Besl, P. J., & McKay, N. D. (1992, April). Method for registration of 3-D shapes. In Sensor fusion IV: control paradigms and data structures 1611, 586-606.
11. Bevilacqua, M. G., Caroti, G., Piemonte, A., & Ulivieri, D. (2019). Reconstruction of lost architectural volumes by integration of photogrammetry from archive imagery with 3D models of the status quo. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 42, 119-125.
12. Boehler, W., & Marbs, A. (2002). 3D scanning instruments. Proceedings of the CIPA WG, 6(9), 1-4.
13. Boehler, W., Heinz, G., Marbs, A., & Siebold, M. (2002, September). 3D scanning software: an introduction. In CIPA Heritage Documentation, International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording, 47-51.
14. Capolupo, A., Saponaro, M., Borgogno Mondino, E., & Tarantino, E. (2020). Combining interior orientation variables to predict the accuracy of Rpas–Sfm 3D models. Remote Sensing, 12(17), 2674.
15. Colomina, I., & Molina, P. (2014). Unmanned aerial systems for photogrammetry and remote sensing: A review. ISPRS Journal of photogrammetry and remote sensing, 92, 79-97.
16. Cryderman, C., Mah, S. B., & Shufletoski, A. (2014). Evaluation of UAV photogrammetric accuracy for mapping and earthworks computations. Geomatica, 68(4), 309-317.
17. Çömert, R., Avdan, U., Tün, M., & Ersoy, M. (2012). Mimari belgelemede yersel lazer tarama yönteminin uygulanması (Seyitgazi Askerlik Şubesi Örneği). Harita Teknolojileri Elektronik Dergisi, 4(1), 1-18.
18. Di Stefano, F., Chiappini, S., Gorreja, A., Balestra, M., & Pierdicca, R. (2021). Mobile 3D scan LiDAR: A literature review. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 12(1), 2387-2429.
19. Dittrich, A., Weinmann, M., & Hinz, S. (2017). Analytical and numerical investigations on the accuracy and robustness of geometric features extracted from 3D point cloud data. ISPRS journal of photogrammetry and remote sensing, 126, 195-208.
20. Dustin, D., Liscio, E., & Eng, P. (2016). Accuracy and repeatability of the laser scanner and total station for crime and accident scene documentation. J Assoc Crime Scene Reconstr, 20(1), 57-67.
21. Eisenbeiss, H. (2004). A mini unmanned aerial vehicle (UAV): system overview and image acquisition. International Archives of Photogrammetry. Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 36(5/W1), 1-7.
22. El-Hakim, S. F., Beraldin, J. A., Picard, M., & Godin, G. (2004). Detailed 3D reconstruction of large-scale heritage sites with integrated techniques. IEEE computer graphics and applications, 24(3), 21-29.
23. Georgantas, A., Brédif, M., & Pierrot-Desseilligny, M. (2012). An accuracy assessment of automated photogrammetric techniques for 3D modeling of complex interiors. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 39, 23-28.
24. Girardeau-Montaut, D., Roux, M., Marc, R., & Thibault, G. (2005). Change detection on points cloud data acquired with a ground laser scanner. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 36(3), 19.
25. Günen, M., Baydoğan, M., & Beşdok, E. (2019). Kültürel Eserlerin Arttırılmış Gerçeklik ile Sunumu: Germir Panagia Rum Kilisesi. 10. Tufuab Teknik Sempozyumu, Aksaray, Türkiye, 18-26.
26. Halaç, H. H., & Öğülmüş, V. (2021). Kültürel miras verilerinin dijital olarak depolanması: openherıtage3d örneği. Turkish Online Journal of Design Art and Communication, 11(2), 521-540.
27. Handl, M. (2023). Comparing and integrating Terrestrial Laser Scanning and UAV-Photogrammetry point cloud data–the example of the Salzburg Cathedral. Yüksek lisans tezi, Faculty of Digital and Analytical Sciences, of the Paris-Lodron-University Salzburg, Salzburg, January 2023
28. He, Y., Liang, B., Yang, J., Li, S., & He, J. (2017). An iterative closest points algorithm for registration of 3D laser scanner point clouds with geometric features. Sensors, 17(8), 1862.
29. Jo, Y. H., & Hong, S. (2019). Three-dimensional digital documentation of cultural heritage site based on the convergence of terrestrial laser scanning and unmanned aerial vehicle photogrammetry. ISPRS International Journal of Geo-Information, 8(2), 53.
30. Kabadayı, A. (2022). Açık maden ocağında hacim hesabı için GNSS ve İHA ölçümlerinin karşılaştırıldığı bir çalışma örneği. Türkiye İnsansız Hava Araçları Dergisi, 4(2), 52-57.
31. Kabadayı, A. (2023). Yersel Lazer Tarayıcıların Tarihi Köprülerin Modellenmesinde Kullanımı. Türkiye Lidar Dergisi, 5(2), 68-75.
32. Kabadayı, A., & Erdoğan, A. (2022). İHA Fotogrametrisi Kullanarak Kadastroda Binaların Konum Doğruluğunun İncelenmesi. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 4(2), 66-72.
33. Kabadayı, A., & Erdoğan, A. (2023). İHA Fotogrametrisi Kullanarak Yozgat Çilekçi Türbesi’nin 3 Boyutlu Nokta Bulutu ve Modelinin Üretilmesi. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 5 (1), 29-35.
34. Kaya, Y., Şenol, H. İ., & Polat, N. (2021). Three-dimensional modeling and drawings of stone column motifs in Harran Ruins. Mersin Photogrammetry Journal, 3(2), 48-52.
35. Kaya, Y., Yiğit, A. Y., Ulvi, A., & Yakar, M. (2021). Arkeolojik alanların dokümantasyonununda fotogrametrik tekniklerinin doğruluklarının karşılaştırmalı analizi: Konya Yunuslar Örneği. Harita Dergisi, 165, 57-72.
36. LaRocco, J., & Paeng, D. G. (2020). A functional analysis of two 3D-scanned antique pistols from New Zealand. Virtual Archaeology Review, 11(22), 85-94.
37. Li, P., Wang, R., Wang, Y., & Tao, W. (2020). Evaluation of the ICP algorithm in 3D point cloud registration. IEEE access, 8, 68030-68048.
38. Luhmann, T., Chizhova, M., & Gorkovchuk, D. (2020). Fusion of UAV and terrestrial photogrammetry with laser scanning for 3D reconstruction of historic churches in georgia. Drones, 4(3), 53.
39. Lumban-Gaol, Y. A., Murtiyoso, A., & Nugroho, B. H. (2018). Investigations on the bundle adjustment results from sfm-based software for mapping purposes. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 42, 623-628.
40. Matys, M., Krajcovic, M., & Gabajova, G. (2021). Creating 3D models of transportation vehicles using photogrammetry. Transportation Research Procedia, 55, 584-591.
41. McCarthy, J. K., Benjamin, J., Winton, T., & van Duivenvoorde, W. (2020). 3D Recording and Interpretation for Maritime Archaeology. Underwater Technology, 37(2), 65-66.
42. Moyano, J., Nieto-Julián, J. E., Bienvenido-Huertas, D., & Marín-García, D. (2020). Validation of close-range photogrammetry for architectural and archaeological heritage: Analysis of point density and 3D mesh geometry. Remote sensing, 12(21), 3571.
43. Muenster, S. (2022). Digital 3D technologies for humanities research and education: an overview. Applied Sciences, 12(5), 2426.
44. Munthe-Kaas, N. H. (2018). Estimating the design parameters of a highly skewed ship propeller by automated 3d-scanning, Yüksek lisans tezi, Norwegian University of Science and Technology, Department of Mechanical and Industrial Engineering, İngiltere.
45. Negiz, N. (2017). Kentlerin tarihsel sürdürülebilirliğinde kültürel miras: önemi ve değeri üzerine düşünmek. Akademia Doğa ve İnsan Bilimleri Dergisi, 3(1), 159-172.
46. Ossowski, R., & Tysiąc, P. (2018). A new approach of coastal cliff monitoring using mobile laser scanning. Polish Maritime Research, (2), 140-147.
47. Özdoğan, M. V., & Deliormanlı, A. H. (2018). Yersel lazer tarayici ile yeralti galerisinde meydana gelen deformasyonlarin belirlenmesi. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 20(59), 663-675.
48. Palladino, M., Nasta, P., Capolupo, A., & Romano, N. (2018). Monitoring and modelling the role of phytoremediation to mitigate non-point source cadmium pollution and groundwater contamination at field scale. Ital. J. Agron, 13(s1), 59-68.
49. Peña-Villasenín, S., Gil-Docampo, M., & Ortiz-Sanz, J. (2017). 3-D modeling of historic façades using SFM photogrammetry metric documentation of different building types of a historic center. International Journal of Architectural Heritage, 11(6), 871-890.
50. Polat, N., Çokoğullu, S., Memduhoğlu, A., Ulukavak, M., Şenol, H. İ., Oral, M., ... & Marangoz, Ö. (2021). İHA fotogrametrisinin arkeolojik yüzey araştirmalarina katkilarinin incelenmesi. TÜBA-AR Türkiye Bilimler Akademisi Arkeoloji Dergisi, (28), 175-186.
51. Polat, N., Önal, M., Ernst, F. B., Şenol, H. İ., Memduhoglu, A., Mutlu, S., ... & Kara, H. (2020). Harran Ören Yeri Arkeolojik Kazı Alanınındın Çıkarılan Bazı Küçük Arkeolojik Buluntuların Fotogrametrik Olarak 3B Modellenmesi. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 2(2), 55-59.
52. Remondino, F. (2011). Heritage recording and 3D modeling with photogrammetry and 3D scanning. Remote sensing, 3(6), 1104-1138.
53. Rusinkiewicz, S., & Levoy, M. (2001, May). Efficient variants of the ICP algorithm. In Proceedings third international conference on 3-D digital imaging and modeling, 145-152, IEEE.
54. Saponaro, M., Capolupo, A., Caporusso, G., Borgogno Mondino, E., & Tarantino, E. (2020). Predicting the accuracy of photogrammetric 3D reconstruction from camera calibration parameters through a multivariate statistical approach. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 43, 479-486.
55. Snavely, N., Seitz, S. M., & Szeliski, R. (2008). Modeling the world from internet photo collections. International journal of computer vision, 80, 189-210.
56. Son, S. W., Kim, D. W., Sung, W. G., & Yu, J. J. (2020). Integrating UAV and TLS approaches for environmental management: A case study of a waste stockpile area. Remote Sensing, 12(10), 1615.
57. Şenol, H. İ., & Çöltekin, A. (2022). Building Footprint Extraction from High Resolution UAV Images Using Deep Learning Algorithms in the Context of Unplanned Urbanisation. Abstracts of the ICA, 5, 144.
58. Şenol, H. İ., Memduhoğlu, A., Ulukavak, M., Çetin, B., & Polat, N. (2019). Lazer Tarayıcı ve İnsansız Hava Aracı Kullanılarak Kızılkoyun Kral Kaya Mezarlarının 3 Boyutlu Belgelenmesi. TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası, 17, 25-27.
59. Torun, A. (2017). İnsansız Hava Aracı (İHA) Sektörü Ve İHA Fotogrametrisinin Ölçme Bağlamında Konumlandırılması The Sector of Unmanned Aerial Systems and Positioning UAS Photogrammetry Regarding Surveying Discipline. 16. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultay, TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası, Ankara
60. Ulvi, A. (2021). Documentation, Three-Dimensional (3D) Modelling and visualization of cultural heritage by using Unmanned Aerial Vehicle (UAV) photogrammetry and terrestrial laser scanners. International Journal of Remote Sensing, 42(6), 1994-2021.
61. Ulvi, A., Yakar, M., Yiğit, A., & Kaya, Y. (2019). The use of photogrammetric techniques in documenting cultural heritage: The Example of Aksaray Selime Sultan Tomb. Universal Journal of Engineering Science, 7(3), 64-73.
62. Varol, F., Yiğit, A. Y., & Ulvi, A. (2021). Kültürel Mirasın Dijital Ortamda 3 Boyutlu Arşivlenmesi: Maghoki-Attar Camii Sanal Model Örneği. Turizm Akademik Dergisi, 8(1), 181-191
63. Yan, L., Tan, J., Liu, H., Xie, H., & Chen, C. (2017). Automatic registration of TLS-TLS and TLS-MLS point clouds using a genetic algorithm. Sensors, 17(9), 1979.
64. Yiğit, A. Y., & Ulvi, A. (2020). İHA fotogrametrisi tekniği kullanarak 3B model oluşturma: Yakutiye Medresesi Örneği. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 2(2), 46-54.
65. Yiğit, A. Y., & Uysal, M. (2021). Yüksek çözünürlüklü insansız hava aracı (İHA) görüntülerinden karayolların tespiti. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 10(3), 1040-1054.
66. Yiğit, A. Y., Gamze Hamal, S. N., Ulvi, A., & Yakar, M. (2023). Comparative analysis of mobile laser scanning and terrestrial laser scanning for the indoor mapping. Building Research & Information, 1-16.
67. Yiğit, A. Y., Hamal, S. N. G., Yakar, M., & Ulvi, A. (2023). Investigation and Implementation of New Technology Wearable Mobile Laser Scanning (WMLS) in Transition to an Intelligent Geospatial Cadastral Information System. Sustainability, 15(9), 7159.
68. Yiğit, A. Y., Kaya, Y., & Şenol, H. İ. (2023). Açık Maden Ocaklarında İnsansız Hava Aracı (İHA) Kullanımı. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 11(1), 225-235.