Lézerszkennelés alkalmazása a műemléki kőanyagoknál a zsámbéki templomrom példáján bemutatva. Fehér Krisztina 1, Török Ákos 2

Átírás

1 Lézerszkennelés alkalmazása a műemléki kőanyagoknál a zsámbéki templomrom példáján bemutatva Fehér Krisztina 1, Török Ákos 2 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építészmérnöki kar, Építészettörténeti és Műemléki Tanszék 2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki kar, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék ÖSSZEFOGLALÁS A zsámbéki templomrom Magyarország egyik legértékesebb és legjelentősebb műemléke. Eredeti középkori faragott kő díszítményei, profilozott kő szerkezetei a csaknem 70%-ban elpusztult templom magas művészei színvonalának bizonyítékai, a külső hatások következtében állapotuk azonban évről évre romlik. Az értékes műemléket dokumentálása és megőrzési lehetőségeinek feltérképezése érdekében választottuk kődiagnosztikai és építészettörténeti kutatásunk esettanulmányává. Munkamódszerünk fontos eleme a lézerszkenneres és térbeli fotogrammetrikus felmérés, amely a teljes épületre és a hozzá tartozó kőtár elemeire is vonatkozik. A legújabb felmérési technikák ugyanis a kutatásban is új irányokat generálnak. KULCSSZAVAK Lézerszkenner, Zsámbék, diagnosztika, mészkő BEVEZETÉS A műemlékek felmérése több évszázados múltra tekint vissza, amelyben a legutóbbi forradalmat a számítógéppel segített, lézeres távolságmérési technológián alapuló térbeli leképezések jelentik. A korszerű felmérési technikák nemcsak gyorsabb és pontosabb dokumentálást tesznek lehetővé, hanem új kutatási módszerek előtt is teret nyithatnak, új felhasználási területeken is hasznosíthatóvá válnak. A cikk bemutatja ezeknek a technikáknak az alkalmazhatóságát egy esettanulmány, a zsámbéki 13. századból származó romtemplom alapján. Ismerteti a 3 dimenziós felmérési technikákat, a műemléki kőanyagokon végzett diagnosztikai vizsgálatokat, amelyek hozzájárulnak az épület középkori építéstörténetének pontosabb megismeréséhez. 3D FELMÉRÉSI MÓDSZEREK A 3 dimenziós (3D) felmérés és modellezés egyre ismertebb, elterjedtebb és keresettebb a különböző mérnöki feladatok terén. A térbeli objektumok leképezésére több módszer áll rendelkezésre, amelyek különböző elvek mentén képesek 3 dimenziós pontfelhők és felületmodellek létre-

2 hozására. A helyes módszer megválasztása függ a felmérendő objektum méretétől, léptékétől (pl. geológiai képződmény, több épületből álló együttes, teljes épület, épületrész, szerkezeti részletek, ornamentika, stb.) és a munka célkitűzéseitől (pl. értékmentés, dokumentálás, kutatás, mérnöki beavatkozást megalapozó kiindulási tervadatok, reprodukció, rekonstrukció, 3D látvány, virtuális elvi rekonstrukciók, stb.). A pontfelhők előállítására szolgáló felmérések a korábbi kézi és egyéb lézeres detektálási módszerekhez képest lehetővé teszik, hogy a helyszínen végzett, gyakran külső tényezők által befolyásolt (pl. időjárás, világos órák száma) terepmunka lerövidüljön és leegyszerűsödjön; kevesebb idő alatt nagyságrendekkel több koordinátainformáció rögzíthető. A zsámbéki romtemplom felmérése során két eltérő módszert alkalmazását mutatja be a cikk. Az egyik a földi lézerszkenner ún. TLS (Terrestrial Laser Scanner) módszer, amelynek az a mérési elve, hogy a pontok koordinátáit az eszközből kibocsátott és az objektumról visszaverődött lézersugár hányadosából és a beesési szögéből számítja ki. Előnye, hogy a távolságmérés sötétben is végezhető, és az általunk használt eszköz kamera segítségével a felmért pontok koordinátáihoz RGB információt is rögzít. [1] A másik módszer, amit a kutatásban használunk a 3D fotogrammetria vagy fotoszkennelés (1. ábra). Ennél a módszernél, melynek működési elve alapvetően eltér a lézerszkenneléstől, a hangsúly az adatokat feldolgozó számítógépes szoftveren van, ami digitális fényképekből konstruál térbeli pontfelhőt (Automatic image orientation). A módszer bizonyos esetekben, így a zsámbéki templom kőtárának faragott elemeinél is a nagy pontosságúnak bizonyult [1]. 1. ábra Középkori boltozati zárókőről készült pontfelhő 3D fotogrammetriával

3 FELHASZNÁLÁSI TERÜLETEK A műemlékek megőrzéséhez az adott műemlék és térségének a felmérése több szempontból is elengedhetetlenül fontos. Egyrészt a meglévő állapotok dokumentálását szolgálja, másrészt a helyreállítások tervezéséhez, kivitelezéséhez is szükséges. A 3 dimenziós pontfelhők segítségével az egyes faragott kőelemek formai leképezése, a CAD segítségével pedig a reprodukció, virtuális rekonstrukció [2] rendkívül leegyszerűsödött. Akár hiányos vagy törött elemek kiegészítése is lehetővé válik, ami például a kőelemek geometria vizsgálatánál válik szükségessé. A pontfelhők pontjainak száma százezres vagy akár milliós nagyságrendű is lehet, ami olyan geometriai méréseket tesz lehetővé, pl. egyes nem in situ boltozati elemek görbülete, amit más mérési technikák csak nagy szórással és hibahatárral képesek meghatározni [3]. A különböző térfeli felmérések vagy akár azok ötvözete ezen kívül geológiai képződmények és deformációik modellezésére is alkalmasak. Erre egy hazai példa a siroki vár lejtőállékonysági vizsgálata, ahol a módszert eredményesen alkalmazták [4]. A pontfelhőt létrehozó felmérési technikák a műemlékek diagnosztikai vizsgálatát is elősegítik. A milliméteres pontosságnak köszönhetően a teljes épület léptékű deformációk, kúszások is lemérhetők, így például folyamatosan monitorozhatók a műemléki kőanyagok felületváltozásai, károsodási folyamatai is. A ZSÁMBÉKI TEMPLOMROM TÖRTÉNETE A Budapesttől mintegy 30 km-re nyugatra fekvő zsámbéki templom-és kolostorrom hazánk egyik legértékesebb műemléke, ami nem csak a középkori építészettörténet, hanem nemzetközi szinten is releváns műemlékvédelemelmélet szempontjából is kiemelkedő jelentőségű (2. ábra). Az eredetileg premontrei, majd a pálos rend gondozásában lévő épület 8 évszázados története során olyan káros hatások érték, amik mai romos állapotához vezettek: tatár és oszmán dúlások, tűzvészek, a Richter-skála szerinti 6,3-as erősségű 1763-as komáromi földren- 2. ábra A zsámbéki templomrom

4 gés, végül pedig emberi kéz pusztítása [5]. Az 1880-as években először Möller István végzett állagmegóvó munkákat, amely során tégla kiegészítéseket és megtámasztásokat használt. A következő beavatkozás során Lux Géza vasbeton megerősítésekkel folytatta a Möller által megkezdett munkát (3. ábra). A legutóbbi nagyszabású helyreállítás több mint két évtizede történt. A 19. századtól kezdve többször, különböző elvekkel és anyagokkal helyreállított rom további gyors pusztulását jelenleg leginkább a környezeti hatások okozzák. 3. ábra Különböző anyagú helyreállítások ÁLLAPOTLEÍRÁS LEGFŐBB KÖRNYEZETI HATÁSOK A zsámbéki romtemplom egyik legismertebb jellegzetessége, hogy csaknem minden műemléki beavatkozáskor más anyagot használtak, ekképpen az eredeti kő szerkezeteket téglával és vasbetonnal, legutóbb pedig cementes kőpótlásokkal egészítették ki (3. ábra). A legszembetűnőbb károsodások az eredeti kőfelületeket érik, amik a faragott díszítő- és szerkezeti elemek esetében különösen jelentős pusztulást okozhatnak, elhalványítva vagy eltűntetve az eredeti bélyegeket. Leginkább az időjárás hatásai okoznak károkat, ami az eltérő anyagtulajdonságú elemek miatt, pl. kőzet és cementes kiegészítések, az utóbbi időben felgyorsult. Az épület állagának gyors és visszafordíthatatlan romlását jelzi, hogy a 19. század vége óta mára csaknem teljesen eltűntek a pótolhatatlan értéket képviselő gótikus falképek, amiket már korszerű fototechnikai vizsgálatok sem képesek feltárni [6]. A falazat kőanyagának közel 30 száza-

5 4. ábra A zsámbéki faragott kőanyag károsodásai 5. ábra Erősen mállott ooidos durva mészkő léka teljesen mállott, a fagyások és agresszív sókiválások sok helyen teljes mélységben felőrölték a falköpenyek kvádereit (4. ábra). A templomrom kőszerkezeteit többféle kőanyagból készítették. Ezek között a durva mészkő dominál, amelynek különféle változatai találhatóak mind a falköpenyekben, mind pedig a falmagban. Ez a miocén korban keletkezett tengeri eredetű mészkő nem egységes megjelenésű, hanem több változata is látható a templom falában. Legnagyobb tömegben a középszemű ooidos és a finomszemű változat fordul elő, melyek közül több változat is mállásra hajlamos (5. ábra). A durva mészkövön kívül más kőanyag is megtalálható (pl. homokkő, dolomit), ami azzal magyarázható, hogy a falazat anyagához kevésbé

6 válogatott köveket használtak fel. A kőtári anyag mivel zömmel faragott szerkezeti elemeket tartalmaz egységesebb, elsősorban durva mészkőből áll. A nagyobb teherbírási igénynek megfelelően a szerkezeti elemek számára láthatóan válogatott kőanyagot bányásztak. A ZSÁMBÉKI TEMPLOM ÉS KŐTÁR 3D FELMÉRÉSEI Az épület geometriájára, építészettörténetére és a műemléki faragott kőanyagra vonatkozó vizsgálatokhoz a teljes templom és a kőtári anyag felmérését végeztük, amelyhez 3D felmérési módszert alkalmaztunk. A teljes rom pontfelhőjének elkészítését lézerszkennerrel készítettük, amely 10 méteres távolságból 0,5 cm-es pontraszterrel képezi le az objektumot 6 mm pontossággal (névleges pontosság 2mm). A pontsűrűség a templom többszörözött, 20 álláspontból és 10 méternél közelebbről történt szkennelése által megsokszorozódott. (2. ábra) A pontfelhő amellett, hogy a rohamosan pusztuló műemlék állapotának rögzítését is szolgálja, alkalmas arra, hogy a számítógépen méréseket végezzünk rajta, tetszőleges helyen metszeteket, alaprajzokat készítsünk. (6. ábra) A 3 dimenziós felmérés előnye vitathatatlan, hiszen más hagyományos kézi vagy akár műszeres mérése ilyen pontosságot nem képesek elérni, továbbá a pontfelhőn adatgazdagsága miatt szükség szerint akármelyik méret utólag lemérhető. 6. ábra A zsámbéki templom teljes és elmetszett pontfelhője A felméréssel lehetővé válik a templom geometriai vizsgálata, amely fontos adalékot szolgáltat az építéstörténet és a középkori tervezési, kivitelezési technikákról. A pontos méretek arányosságát vizsgálva nem csak az építéstörténeti adatok következtethetők ki, hanem akár egyes faragott kőelemek eredeti mértékegységbe átváltott méretei is meghatározhatók. Az eredeti arányozási elvek korhűbb rekonstrukciókra adnak lehetőséget,

7 vagy akár egy későbbi helyreállítás koncepciójában is segítséget nyújthatnak. A pontfelhőn lemért méretek összevetéséből arra következtethetünk, hogy a templom 13. századi építése során ellentétben az általános elképzelésekkel a kivitelezési pontosság igen nagy volt. A lézerszkennelés ezen kívül alkalmas arra, hogy egyes épületrészek közeli, még nagyobb pontsűrűségű, bizonyos időközönként megismételt felmérésével a falfelületek és díszítőkövek károsodását monitorozzuk (7. ábra). 7. ábra A zsámbéki gótikus szentély károsodott kőfaragványai, fotó és pontfelhő A templom mellett a mintegy 200 faragott elemből álló kőtár anyagáról is pontfelhő készül. Az ehhez alkalmazott módszer a térbeli fotogrammetria, ami kis léptékű objektumok esetén pontosabbnak és hatékonyabbnak bizonyult, mint a lézerszkennelés [1]. A felméréshez kb fénykép, kövenként kb. 35 fotó készült. A gyűjteményben a templom csaknem minden típusú szerkezete megtalálható, fejezetek, lábazatok, párkányok, nyíláskeretek, mérmű- és boltozati elemek (8. ábra). Ezek két jól elkülöníthető periódusból, a 13. századi premontrei és a 15. századi pálos építkezésekből származnak. A pontfelhők geometriai elemzése segíthet elkülöníteni a két periódusba tartozó faragványok szerkesztési módszereit, továbbá a kőtári anyag térbeli ismerete a teljes templom megértésében is fontos szerepet játszik. A profilos faragványokról készült pontfelhő, majd felületmodell alkalmas arra, hogy a gyakran lepusztultak, hiányos objektumok profiljáról tetszőleges helyen és sűrűséggel vegyünk fel metszeteket, amelyek egybevetítésével a teljes profil geometriája kikövetkeztethető. Hasonló kőtári gyűjtemények lézeres szkennelése vagy fotogrammetrikus leképezése digitális kőtárak létesítését alapozhatja meg, ami nagyban megkönnyíti ezeknek az elemeknek az állagmegóvását és művészettörténeti kutatását is.

8 8. ábra Mérműelem fotója és pontfelhője a zsámbéki templomból ÖSSZEGZÉS A zsámbéki romtemplom példája igazolta, hogy a kisebb kőzetelemek, de akár egész templomok felmérése során is alkalmazható a földi lézerszkenner. A 3D fotogrammetria vagy fotoszkennelés segítségével is jól leképezhetők az egyes kőelemek, vagy nagyobb kőfelületek is. Mindkét módszerrel pontfelhőt kapunk, amely további feldolgozással olyan 3 dimenziós kép kialakítását teszi lehetővé, amelyen nagyon apró részletek (akár milliméteres is) azonosíthatók. Így ezeknek a módszereknek a segítségével a műemlékek kutatása új irányokat vehet. Ki kell emelni, hogy ezen eszközökkel nem csak műemlékek, hanem más épületek vagy szerkezetek, illetve természetes geológiai képződmények (pl. sziklafalak) is vizsgálhatók. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Jelen tanulmány az Emberi Erőforrások Minisztériuma ÚNKP-18-3-IV kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának támogatásával valósulhatott meg. IRODALOMJEGYZÉK [1] Somogyi Á., Fehér K., Lovas T., Halmos B., Barsi Á.: Analysis of Gothic Architectural Details by Spatial Object Reconstruction Techniques. Periodica Polytechnica Civil Engineering 61: [2] Bauer, T., Lauterbach, J.: Schlingrippengewölbe - Höhepunkt spätgotischer Steinmetzkunst. Stein. 11, pp

9 [3] Fehér K., Halmos B.: Problems of surveying profile shapes of gothic architectural fragments. Pollack Periodica 13: [4] Török Á., Barsi Á., Bögöly Gy., Lovas T., Somogyi Á., Görög P.: Slope stability and rockfall assessment of volcanic tuffs using RPAS with 2-D FEM slope modelling Nat. Hazards Earth Syst. Sci [5] Guzsik T.: A zsámbéki templomrom építéstörténete, építészettörténeti és műemlékvédelmi vonatkozásai. Budapesti Műszaki Egyetem. Építészmérnöki Kar, doktori értekezés [6] Bóna I.: Fototechnikai vizsgálatok a zsámbéki középkori romtemplomban In: Tüskés A. (szerk.): Omnis creatura significans. Tanulmányok Prokopp Mária 70. születésnapjára. CentrArt Egyesület,