NOKTA BULUTU NEDİR?

Nokta bulutları, 3D lazer tarayıcıların ham verileridir. Ölçme değerlendirmesinin yapıldığı, teslim edilebilir ürünlerin geliştirildiği veridir. Dolayısıyla bu verinin elde edilmesi için gerekli ölçmenin yapılmasıyla birlikte elde edildikten sonra çeşitli araçlarla işlenmesi de son derece önemlidir. Nokta bulutları, cihazdan cihaza değişen özellikleri barındırabilir. Bu özellikler, onların kalitesini ve işlenebilirliğini doğrudan gösteren parametreler olmakla birlikte nokta bulutunun esas kabul edilen birtakım özellikleri hepsinde mevcuttur. (Aygun, 2021)

Uygulayıcılar, nokta bulutlarıyla çalışılırken verinin özellikleri sayesinde birçok imkâna sahip olurlar:

• Nokta bulutu, yazılımlar üzerinde istendiği gibi döndürülebilir ve farklı perspektiflerden ve mesafelerden görülebilir,
• İhtiyaç duyulmayan ya da istenmediği halde ölçülmüş olan noktalar kolaylıkla silinebilir,
• Nokta bulutu üzerinden mesafeler ölçülerek kontrol ölçmeleri kolaylıkla yapılabilir,
• Gerçek nesneyle oldukça iyi eşleşen yüzeyler sayesinde, nokta bulutunun ilgili bölümlerinden ya da tamamından CAD nesneleri oluşturulabilir. Bu özellik, nokta bulutunun en önemli özelliğini temsil etmektedir; tüm yapılar için tersine mühendisliğin kapısı bu veri özelliği ile açılmıştır. Sonuç olarak, modelleme işlemi sayesinde, lazer tarama verisinin bir CAD sistemine geçişi mümkün hâle gelir. Bu sayede, yapı geometrisini veya endüstriyel tesis envanterlerini bir CAD sistemine aktarabilen ekonomik bir yol bulunmuştur. Buradan hareketle, restorasyon veya zorlu iç mekân planlamaları artık dijital olarak gerçekleştirilebilir. Özellikle eski binaların modernizasyonu amacıyla, diğer lazerle desteklenen yöntemlerle (lazer metre, reflektörsüz total-station) iyi bir şekilde birleştirildiğinde, yeni yöntem hızlı bir şekilde kabul edilmiştir. (Aygun, 2021)

Nokta bulutu, iki tür veri içerir:

• Metrik veri: Nesne geometrisini tanımlar ve çevredeki nesneler arasındaki mekânsal ilişkileri gösterir,
• Görsel veya tematik veri: Nesne yüzeyinin özelliklerini tanımlamak için üretilir ayrıca her bir nokta için mesafe verisinin güvenilirliğini hesaplamak için kullanılabilir.

3D Lazer Tarayıcılarla çalışmak, nokta bulutlarıyla çalışmak ile eş anlamlı sayılabilir. Yapılan tarama ölçmelerinin doğruluk, bütünlük ve içerdikleri bilgiler kapsamında incelenmesi, bu işlemlerin kalitesini belirler.3D Lazer Tarayıcılar ile çalışan kişilerin nokta bulutlarının yapısı ve kalitesi hakkında bilgi sahibi olması ve nokta bulutlarının işlenmesi konusunda deneyim sahibi olması gerekir.

Nokta Bulutunun Yapısı

Nokta bulutu, bir nesnenin ana hatlarını veya yüzey özelliklerini tanımlayan bir dizi 3D noktadır ve her lazer tarayıcı nokta bulutu verisi üretir. Noktaların 3D koordinat verisiyle birlikte nesneden yansıyan lazer ışınının yoğunluk verisi de kaydedilir ve renklendirilmemiş nokta bulutları genellikle bu yoğunluk verisi (gri tonlarında) ile yarı renklendirilmiş şekilde sunulur. Lazer tarayıcılarda aktif enerji kaydedildiği için, bu yoğunluk değerleri karanlık ortamlarda da kaydedilebilir. Karmaşık yapıların bu yoğunluk verisi gösterimi, görsel analizler için uygundur; farklı yüzeylerin farklı yansıma değerleri olduğundan gerçek renkleriyle ayırt edilmesi zor olan objeler yoğunluk değerleriyle ayrılabilir. Ancak sonuç ürün sunumunda gerçek renkli nokta bulutları ağırlıklı olarak tercih edilir.

Şekil-2: Nokta bulutu için farklı renklendirme yaklaşımları.

Lazer tarayıcılar, dâhili ve harici dijital kameralarla entegre edilmiştir. Taranan nesnenin gerçek renkli görüntüleri, bu kameralarla tarama süresi boyunca ya da tarama işleminden sonra çekilir. Tarayıcıyla kamera optik eksenleri çakışık olduğundan dolayı, ölçülen nokta ile buna karşılık gelen piksel eşlenebilir. Dolayısıyla elde edilen nokta bulutuna gerçek renkli piksel değerleri atanabilir.

Nokta bulutuna ait bu veriler, farklı formatlarda kaydedilir. Her lazer tarayıcının ham verisi, farklı formatlarda elde edilir ve bu formatların büyük çoğunluğu birbirine dönüştürülebilir. Üretici firmalar tarafından geliştirilen temel lazer tarayıcı yazılımları, nokta bulutlarını açma, inceleme, temizleme ve kaydetme gibi temel işlemleri yaparlar. Her yazılım esas olarak kendi cihazının ürettiği nokta bulutu formatına odaklanmış olsa da diğer uzantılara sahip nokta bulutu verilerini de açma ve aynı işlemleri yapma yeteneğine sahiptir.

Nokta bulutları, tek bir taramadan elde edilebilir ancak bir nesneyi tam olarak tanımlamak için genellikle birden fazla tarama verisi birleştirilerek kullanılır.
Birleştirme işlemi, birçok ortak tarama bölgesinden gelen aynı yüzey verilerini içerir. Bununla beraber taranan nesnenin fiziksel özellikleri ve birtakım sistematik cihaz hataları birleşmiş nokta bulutlarında birlikte görülür. Bu hataların giderilmesi ve nokta bulutunun temsil ettiği nesne yüzeyini olabildiğince net bir şekilde göstermesi için yazılımlar kullanılır. Her yazılım farkı algoritmalar kullanır.

Elde edilen nokta bulutunun sonuç ürüne dönüşmesi süreci, birbiriyle ilişkili adımların sırasıyla uygulanmasıyla meydana gelir. Nokta bulutu, aynı geometrik özellik ile farklı formatlara dönüştürülerek işlenir. Bu yüzden nokta bulutunun ham hali, olabildiğince yalın ve kapsayıcı olmalıdır. Bu da lazer tarama ölçmesinin kalitesine bağlıdır.

Nokta Bulutlarının Kalitesi

3D Lazer Tarama, ihtiyaca uygun ve yüksek doğruluğa sahip veri üretimi konusunda oldukça başarılı bir ölçme yöntemidir. Yapılan 3d lazer tarama ölçmesinin kalitesine ilişkin bir standart olmaması, ölçme ürünü olan nokta bulutlarının kalitesine ilişkin de bir standardın olmaması anlamına gelir.

Bununla birlikte; nokta bulutlarının sahip olması gereken nitelikler, ölçülen nesneye göre belirlenebilir. Taranacak objeler, genellikle karmaşık bir yapıya ve düzgün geometrik olmayan şekillere sahiptir. Elde edilecek nokta bulutunun bu karmaşık yapıyı temsil etmesi ve bu yapıya ilişkin istenilen bilgileri sunması, birtakım teknik parametrelerin tarama cihazı ve tarama yazılımı ile sağlanmasıyla mümkün olur.

Yersel lazer tarayıcılar ile ölçme stratejisi geliştirmenin  önemli bir adımı, ölçülecek nesneyi yeterli doğrulukla elde edebilecek tarayıcıyı seçmektir. Bu sayede aşağıda belirtilen niteliklere sahip nokta bulutları elde edilebilir:

• Obje yüzeyindeki gerekli tüm detayları gösterebilme becerisi,
• Objenin temsil edilmesinde gerekli görüldüğü durumlarda gerçek renklere sahip olabilme,
• Ölçme esnasında istenmeyen birçok farklı nesne de ölçülecektir. Kullanılan bilgisayarların donanımsal kapasitelerini zorlamak, nokta bulutları ile ilgili işlemlerin eksik veya hatalı yapılabilmesine neden olabilir. Nokta bulutları, gerekli görülen nesne ve çevresinin geometrik bilgisini içermelidir, fazlalık kısımlar veriden çıkartılmalıdır.
• Nokta bulutları, jeodezik kontrol ağlarıyla ilişkilendirilebilir. Bu durumda koordinatı bilinen hedef noktalar kullanılacak ise, hedeflerin yeterli yoğunlukta taranmış olması, ilgili dönüşümün yapılabilmesi için gereklidir.

Nokta Bulutlarının İşlenmesi

Nokta bulutları, yazılımlar sayesinde çeşitli işlemlere tabi tutularak sonuç ürün haline getirilirler. 3D Lazer Tarama için geliştirilen yazılımların çok büyük miktarda veriyi işlemesi gerekir. Ölçmesi birkaç dakika süren nokta bulutlarının çeşitli amaçlar için işlenmesi saatler sürebilir.

CAD objesi olarak tanımlanan, geometrisi tanımlı sanal nesneler, nokta bulutlarının sıklıkla dönüştürüldüğü objelerdir. Yoğun bir aralıklandırmaya sahip tek bir taramanın sonucu milyonlarca noktadır. Onları doğrudan bir CAD yazılımına aktarmak, aşırı yükleme anlamına gelir. Bu nedenle, lazer tarama yazılımı geliştiren firmalar, CAD yazılımlarının arka planında eksiksiz nokta bulutunun yüklenmesini sağlamak için çalışan özel eklenti (plug-in) yazılımlar geliştirmektedir. Bu özelliğe dayanarak, istenen CAD objelerini elde etmek veya veri analizi yapmak oldukça kolay olmaktadır. (Lazer tarama ölçme stratejisi)

Nokta bulutlarının işlenmesi, bir nesneyi elde etmek için yapılan taramaların ayrı ayrı analiz edilmesiyle başlar. Bu incelemelerde; tarayıcı, kullanıcı, taranan nesne ve tarama ortamı kaynaklı hataların bazıları izlenebilir. Bu hataların bir kısmı, temel tarama yazılımları tarafından giderilmektedir. Her yazılım bu hataları gidermek için özel filtreleme araçlarına sahiptir. Bu işlemler, kullanıcının isteklerini tam olarak karşılayamayabilir. Bu yüzden yapılan işlemler sonrası nokta bulutları kontrol edilmeli ve kullanılan araçların becerisi değerlendirilmelidir. Uygulayıcılar, bu gibi işlemleri farklı yazılımlar ile denedikçe gerekli işlemleri daha hızlı ve daha doğru yapma becerisi kazanırlar.

Şekil-3: SCENE yazılımda nokta bulutu filtreleme işlemi.

Temizlenen ve birleştirilen nokta bulutları, sonuç ürün olarak hazırlanılacağı yazılımlara aktarılabilir. Elde edilen nokta bulutunu daha kullanışlı bir ürüne dönüştürme sürecinin genel terimi, modelleme veya daha spesifik olarak yüzey veya geometrik modellemedir. Modelleme işlemi için farklı yaklaşımlar mevcuttur. Küçük bir nesne için, en tipik ürün, nesnenin geometrisinin, muhtemelen üçgen düzensiz ağ (TIN – Triangular Irregular Network) gibi bir örgülü yüzey biçiminde dijital bir modeli olacaktır. (Aygun, 2021)

Tarama verilerinin birleştirilmesi, yüzeyin karmaşıklığına bağlı olarak üretilen modelin kontrolünü gerektirebilir. Örneğin geniş ve düz alanlar daha ayrıntılı alanlardan daha az üçgen gerektirir. Bu durum, kullanıcıya üretilen modelin boyutu üzerinde kontrol imkânı tanır, gerekli olduğu yerlerde ayrıntıyı korur, ancak diğer alanlarda gereksiz karmaşıklığı ortadan kaldırır. (Aygun, 2021)

Nesnenin eksiksiz ve sürekli bir modelini oluşturmak için, nesnenin hiçbir veri toplanamayan yüzeylerinde oluşan boşlukları doldurmak için TIN’ın bazı düzenlemelerinin yapılması gerekebilir. Ortaya çıkan TIN, çeşitli analiz türlerinde kullanım için uygundur. Daha uygun modeller, yine üçgenler ile oluşturan, iyileştirilmiş geometrik modeller (mesh) olarak karşımıza çıkmaktadır Şekil, lazer taramayla elde edilen nokta bulutu üzerinden oluşturulan modelini göstermektedir.

Şekil-4: Orijinal taş bir tarihi kalıntı (yukarıda), mesh modeli (altta).

Nokta bulutları, birleştirildikten sonra yalnızca model olarak sunulmaz. Ölçülen objenin düzgün geometrik bir şekli olması, nesne kenarlarını gösteren 2D ürünlerin sunulmasına olanak tanır. Düşey ve yatay kesitler, planlar ve görünüşler bu verilere örnektir.

Şekil-5: Nokta bulutundan üretilen örnek ortofoto.

Lazer tarama ölçmesine ihtiyaç duyulan işlemlerde genellikle harita/geomatik mühendisleri, başka disiplinlerden profesyonellerle birlikte çalışırlar. Bu gibi disiplinler arası çalışmalarda, yapılan ölçmelerinin karşı tarafın ihtiyaçlarına en uygun karşılığı vermesi, mesleki bir prensip olmakla birlikte zaman ve masraftan da kaçınmak anlamına gelebilir.

Lazer tarama verilerinden türetilen bir ürünün teslim edilmesi yalnızca orijinal araştırma sorularına cevap verme sürecinin başlangıcı olabilir. Sonuç ürünü teslim alan profesyonellerin ürünü kullanarak bazı analizler yapması gerekecektir. Nokta bulutları, birtakım analizleri işlenmemiş halleriyle dâhi yapmaya olanak sağlayabilir ancak yüzey analizi gibi özel
çalışmalar, elde edilen model üzerinde çalışmayı gerektirir.

Daha önce de belirtildiği gibi, 3D Lazer Tarayıcılar objeden yansıyan lazer ışınının yoğunluk verisini de kaydeder. Çoğu tarayıcı, insan gözü tarafından görülebilen spektrumun dışında çalıştığı için, toplanan yoğunluk bilgisi, sahada görülen yoğunluk bilgisinden genellikle biraz farklıdır. Bu bilgiler, bazı durumlarda yüzeydeki malzeme cinsinden kaynaklanan değişimi göstermeye yardımcı olabilir.

Şekil-6: Kazı yapılan bir yüzeyin lazer tarama yoğunluk verisi gösterimi (solda), aynı yerin arkeologlar tarafından hazırlanmış stratigrafi kaydı (sağda).

Nokta bulutu üzerinden yapılan işlemlerin büyük çoğunluğu otomatik olarak yapılamaz. Bu işlemler oldukça zahmetli olabilmektedir ve kişisel beceri gerektirir. Bu yüzden bir proje kapsamında yapılan işlemlerin hepsi ve cihazdan alınan ham veriler, proje meta datası olarak saklanmalıdır. Meta data, toplanan verilerin teknik özellikleri ile birlikte yapılan işin adı, tarihi gibi bilgileri de içermelidir.