Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ современного состояния методов архитектурных съемок .
1.1 Применение фотограмметрии в архитектурных съемках.
1.2 Восстановление объемных моделей .
1.3 Использование неметрических цифровых камер в фотограмметрии.
1.4 Съёмка архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования .
1.5 Принцип съёмки объектов методом трёхмерного лазерного сканирования.
1.6 Выводы.
2. Теоретическое обоснование и разработка технологий фотограмметрической съёмки архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования .
2.1 Обоснование создания технологий обмерных чертежей архитектурных сооружений методом фотограмметрической съемки с использованием данных трехмерного лазерного сканирования.
2.2 Разработка методов совместного использования фотограмметрического и трёхмерного лазерного сканирования .
2.2.1 Методика создания цифровых ортофотопланов.
2.2.2 Разработка технологий получения ортофотопланов и трёхмерных векторных моделей по результатам фотограмметрической съёмки и данных трёхмерного лазерного сканирования.
2.2.3 Разработка технологии применения стереоскопического метода для наблюдения и обработки результатов трёхмерного лазерного сканирования.
2.2.4 Выводы.
З Экспериментальное исследование фотограмметрического метода съёмки архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования .
3.1 Получение ортофотопланов и обмерных чертежей по материалам фотограмметрической съемки архитектурных сооружений с использованием данных трехмерного лазерного сканирования на цифровой стереофотограмметрической системе.
3.1.1 Съёмка архитектурного сооружения трёхмерным лазерным сканером RIEGL LMS-Z210 .
3.1.2 Получение ортофотоплана на ЦФС PHOTOMOD с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования.
3.1.3 Создание обмерного чертежа по снимкам, полученным камерой UMK 10/1318. Контроль точности ортофотоплана, полученного по разработанной технологии.
3.1.4 Создание ортофотоплана по снимкам, полученным цифровой фотокамерой CANON EOS D60 и данным трёхмерного лазерного сканирования.
3.2 Получение обмерного чертежа по стереоизображению "облака" точек трёхмерного лазерного сканирования.
3.3 Выводы.
Заключение.
Литература.
- Восстановление объемных моделей
- Съёмка архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования
- Разработка методов совместного использования фотограмметрического и трёхмерного лазерного сканирования
- Съёмка архитектурного сооружения трёхмерным лазерным сканером RIEGL LMS-Z210
Введение к работе
Разработка и внедрение в производство метода трехмерного лазерного сканирования открывает новые возможности совершенствования методов и технологий фотограмметрических архитектурных съемок. В результате сканирования лазерного луча получают «облако точек», или массив точек, которые формируют трёхмерные модели объектов в необходимой системе координат. Достоинством съёмочных систем трёхмерного лазерного сканирования является:
получение практически в режиме «реального времени» достоверной информации о форме, размерах и положении объектов съёмки в выбранной системе координат объекта, в качестве которой могут служить, как государственные геодезические, так и любые другие системы координат; возможность производить съёмки в условиях плотной городской застройки, так как нет жёстких требований в подборе параметров съёмки;
возможность получать не только координаты точек "объекта", но и информацию о его цвете или оптической яркости;
возможность производить измерения объектов по «облаку точек», ортогональная проекция которого на произвольно выбранную плоскость визуализируется на экране дисплея компьютера. Идентифицируя изображения точек «облака», можно производить измерения расстояний между точками, создавать векторный чертёж объекта и т.п. По точкам можно создавать цифровую модель поверхности объекта в виде триангуляции Делоне, а также строить профили или сечения его поверхности. При съёмке инженерных
объектов можно аппроксимировать участки объекта плоскостью, цилиндром и другими пространственными фигурами. Наряду с достоинствами трёхмерные лазерные системы имеют и недостатки:
трудности в интерпретации объектов сложной формы; сложность векторизации объектов по «облаку точек»; медленная работа с файлами больших размеров; для увеличения скорости обработки материалов необходимо работать с фрагментами объекта съёмки. Комплексное использование методов фотограмметрических и трёхмерного лазерного сканирования открывают новые возможности в развитии технологий для обмеров архитектурных сооружений и создания обмерных чертежей.
Целью настоящей работы является: разработка и исследование фотограмметрических технологий обмеров архитектурных сооружений с использованием данных, полученных с помощью лазерных трёхмерных сканеров. Разработка новых технологий рассматриваются в двух аспектах:
1 Получения цифровых ортофотопланов по материалам фотограмметрической съёмки и данных трёхмерного лазерного сканирования с дальнейшей целью получения трёхмерных векторных обмерных чертежей.
2 Измерения и создания векторных обмерных чертежей по стереоскопическому изображению массива точек, полученных в результате трёхмерного лазерного сканирования.
Для достижения целей необходимо исследовать и решить следующие задачи:
1. Разработать методику создания ортофотопланов по фотоизображению (цифровому или аналоговому) и результатам трёхмерного лазерного сканирования.
2. Разработать технологию получения обмерных чертежей по ортофотопланам, полученным по материалам фотограмметрической съёмки и данным трёхмерного лазерного сканирования.
3. Разработать технологию наблюдения, измерения и создания векторных обмерных чертежей по стереоскопическим изображениям результатов трёхмерного лазерного сканирования.
Восстановление объемных моделей
В связи с постепенным переходом от аналоговых и аналитических методов фотограмметрической обработки к цифровым, исходные фотоизображения должны быть представлены в цифровом виде.
При съёмке аналоговыми фотокамерами, исходные снимки, получаемые в результате фотографирования, преобразуют в цифровую форму с помощью фотограмметрических сканеров.
Цифровые снимки имеют следующие преимущества по сравнению с фотографическими: - отсутствие фотохимической обработки (материал может быть использован сразу после съёмки); - носители цифровых данных не содержат драгоценных металлов, а также могут многократно использоваться для перезаписи изображений; - копирование информации не сказывается на её качестве; - возможность загрузки их в память компьютера, визуализации и измерений на экране монитора; - широкие возможности цифровой обработки изображений (удаление шумов, преобразования, сшивка).
В настоящее время интенсивно развиваются и совершенствуются методы цифровой фотограмметрии.
Применение специальных цифровых камер, предлагаемых для фотограмметрических целей, в массовом использовании затруднительно, в связи с высокой рыночной ценой. Поэтому во многих случаях целесообразнее применять более дешёвые неметрические (пользовательские) камеры.
Основными преимуществами таких камер являются общедоступность, невысокая стоимость, компактность, оперативность в работе, фотографирование «с руки» и возможность привлечения для работы непрофессионалов.
Неметрические камеры не предназначены для получения измеряемых изображений, поэтому могут иметь значительную дисторсию (нарушение геометрического изображения предмета). Кроме того, неизвестны их элементы внутреннего ориентирования (фокусное расстояние и координаты главной точки). Поскольку для фотограмметрической обработки полученных изображений требуются в большинстве случаев эти данные, необходима калибровка камеры.
Для камер с переменным фокусным расстоянием калибровку выполняют только на предельных значениях фокусного расстояния, т.к. невозможно зафиксировать его промежуточные значения у большинства моделей.
Различают два типа дисторсии объектива: радиальную и тангенциальную. Радиальная дисторсия намного превышает тангенциальную, поэтому, как правило, определяют только радиальную дисторсию.
Существуют различные методы калибровки камер. Один из них — калибровка с помощью тест-объекта.
Тест-объект представляет собой пространственную фигуру, на которой маркируются точки. Координаты этих точек определяются с необходимой точностью одним из геодезических методов. После съёмки составляются расширенные уравнения коллинеарности и решаются по способу наименьших квадратов методом последовательных приближений.
Большое значение имеют размеры тест-объекта, количество точек и точность их координат. Съёмку следует выполнять таким образом, чтобы точки объекта покрывали всю площадь снимка.
Размеры тест-объекта зависят от типа камеры, подлежащей калибровке, т.е. зависят от оптимальных отстояний съёмки, для которых предназначена данная камера. В качестве теста можно использовать фасад здания, на котором маркируются с большой густотой опорные точки. Точки следует располагать равномерно по всей площади в плоскости, параллельной плоскости снимка, так, чтобы покрыть весь снимок точками для надёжного определения коэффициентов дисторсии объектива, и в перпендикулярном направлении (по глубине) для определения фокусного расстояния камеры.
В последнее десятилетие на рынке измерительной техники появились трехмерные лазерные сканеры, используемые для решения различных измерительных задач быстрым и дешевым способом. В результате сканирования объекта лазерным лучом получают «облако точек», или массив точек, которые формируют трёхмерные модели объектов в необходимой системе координат. Лазерные сканеры предназначены для получения точной и максимально подробной информации об окружающем мире. Принцип лазерного сканирования основан на применении безотражательного дальномера и высокоточной угломерной части. Приборы называются сканерами из-за того, что они производят сплошную съемку пространственных координат точек выбранного объекта с заданным шагом по горизонтали и вертикали. Точность получения координат отдельной точки в пространстве зависит от вида сканера. Эта точность напрямую связана с размером лазерного пятна — оно может иметь размер от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Угломерная часть позволяет в зависимости от расстояния до объекта измерять соседние точки с промежутками между ними от 0.25мм и более.
Как при фотографировании, так и при сканировании можно зафиксировать только одну часть объекта. А для того, чтобы снять объект полностью, его нужно отсканировать со всех сторон. После уравнивания (объединения) всех «облаков» (массивов) точек в единое геометрическое пространство получается единое описание объекта съемки.
Особое значение в технологии трехмерного лазерного сканирования занимают методы обработки получаемых данных. [1,3 7]. Известно, что измерения составляют от нескольких десятков тысяч до нескольких сот миллионов точек. Основная нагрузка по обработке ложится на специально разработанное программное обеспечение (ПО). В комплекте со сканерами, как правило, предлагаются комплексы программ. Эти программы могут делиться на несколько независимых модулей и могут работать как одна программа.
Съёмка архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования
Определение элементов внешнего ориентирования сканера производится по опорным точкам, координаты X, Y, Z которых в системе координат объекта определяют в результате геодезических измерений и координатам Хс, Yc, Zc, этих точек в системе координат сканера, определенных в результате сканирования объекта.
Каждая точка позволяет составить три уравнения: Хо + а\ \Хс + aUYc + a\3Zc-X = 0 Yo + al\Xc + a22Yc = a23Zc -Y = 0 Zo = аЪ\Хс = a32Yc + a33Zc - Z = (1.4) в которых неизвестными являются шесть элементов внешнего ориентирования Хо, Yo, Zo, со, а, к. Для их определения необходимо иметь не менее 3 опорных точек не лежащих на одной прямой.
В результате решения системы уравнений (1.4) составленных для всех опорных точек; можно определить значения величин Хо, Yo, Zo, ю, а, к. Так как, уравнение (1.3) не линейны, их решение производят методом приближений, а в связи с тем что система уравнений (1.4) переопределенная решение производится по методу наименьших квадратов.
Для этого уравнение приводят к линейному виду и переходят к уравнениям поправок: { --а\5 Хо + а28 Yo + аЪ5 Zo + а4ё co + a5S a + авд к + 1х IfyzblS Хо + Ыд Yo + ЪЪ5 Zo + b4S co + b5S a + b6S ic + !y VL- c\S Хо + с25 Yo + сЪ8 Zo + c4S co + c5S а + сбд к + lz (1.5) В уравнениях (1.5): - ai, bi, сі - частные производные от уравнений (1.4) по соответствующим переменным; - 5Хо, 8Yo, 8Zo, безо, 8ао, 8ко - поправки к приближенным значениям неизвестных; - lx, ly, lz - свободные члены. Значения коэффициентов ai, bi, сі уравнений поправок вычисляют по известным значениям координат опорных точек Хс, Yc, Zc, и приближенным значениям. Значение свободных членов lx, ly, lz - определяют по формулам (1.4).
Полученную, таким образом, систему линейных уравнений поправок решают под условием VTPV = min и в результате находят значения поправок к приближенным значениям неизвестных. Уточнив приближенные значения неизвестных, повторяют составление системы уравнений поправок и их решение. Эти действия повторяют до тех пор,пока величины поправок к неизвестным не будут превышать установленного допуска.
В случае, если съемка объекта трехмерным лазерным сканированием производится с нескольких точек стояния сканера, после внешнего ориентирования результатов каждого сканирования получают общее "облако" точек объекта в системе координат объекта.
Результаты сканирования объекта трехмерным сканером с помощью специально разработанного программного обеспечения 3DRISCAN могут быть визуализированы. При этом возможно вращение объекта, его перемещение, проводить измерения между любыми точками или моделируемыми поверхностями. Каждая графическая точка может быть окрашена в зависимости от интенсивности отраженного светового потока, «истинного цвета» или другого параметра (например, высотной отметки или удаления от точки съемки), что улучшает визуализацию объекта. Подобной функцией обладают не только специализированные программы, но и более широко распространенные программные продукты.
По полевым данным возможно построение модели снимаемой местности или объекта — объединения точек в сеть триангулированных ячеек (TIN-модель). Программа автоматически определяет границы ячеек, формирует очертания отдельных объектов, анализирует интенсивность и цвет изображения и получает модель с четкими контурами и цветовым разграничением различных геометрических элементов (откосы, трубы, резервуары, стальные конструкции и т. д.). Процесс занимает немного времени, что позволяет получать трехмерное изображение объекта непосредственно в полевых условиях.
Трехмерная модель, получаемая в процессе сканирования, изначально не является векторной (не описана набором математических уравнений), но по ней можно выполнять пространственные измерения: вычислять объемы насыпи и выемки, расстояния между точками, нормальные расстояния от точки до поверхности, между поверхностями и осями и отдельными составляющими модели. Точечный массив может быть преобразован в векторную трехмерную модель и двухмерные рисунки с помощью различных программ, которые могут использоваться вместе со сканирующими и моделирующими системами и содержат библиотеки объектов.
Разработка методов совместного использования фотограмметрического и трёхмерного лазерного сканирования
В данной работе предложен метод комплексного использования фотограмметрических съемок и трехмерной лазерной съемки архитектурных объектов, позволяющий обеспечить необходимую точность съемки в условиях застроенных городских территорий.
Рассмотрим варианты методов совместного использования фотограмметрического и трехмерного лазерного сканирования при съемке архитектурных объектов.
В случае, если метод трехмерного лазерного сканирования обеспечивает необходимую подробность и точность построения цифровой модели рельефа поверхности архитектурного сооружения, может быть использована следующая технология съемки архитектурного объекта.
В этой технологии с помощью трехмерного лазерного сканирования производится съемка объекта с целью построения цифровой модели рельефа поверхности объекта. По результатам лазерного сканирования сначала строится цифровая модель рельефа объекта в виде триангуляции Делоне, по которой в последующем строится регулярная цифровая модель рельефа в виде сетки квадратов.
С помощью фото или цифровых съемочных фотограмметрических систем производится фотографирование объекта съемки таким образом, чтобы снимаемый объект полностью отобразился на полученных снимках.
Для обеспечения возможности внешнего ориентирования модели объекта, полученной методом трехмерного лазерного сканирования, и внешнего ориентирования снимков объекта, полученных с помощью фотограмметрических камер, определяют координаты опорных геодезических точек в системе координат объекта. Определение координат опорных точек выполняется геодезическим методом, например, с помощью электронных тахеометров. Процесс внешнего ориентирования модели объекта описан в главе 1 настоящей работы. По снимкам объекта, полученных фотограмметрическими съемочными камерами создают цифровые ортофотопланы архитектурного объекта.
Исследование технологий создания цифровых ортофотопланов.
Исходными материалами для цифрового трансформирования снимков являются: — цифровые изображения объекта, полученные путем преобразования исходных фотоснимков в цифровую форму на фотограмметрических сканерах, или цифровые изображения объекта, полученные непосредственно цифровыми фотограмметрическими съемочными системами; — материалы планово-высотной подготовки снимков объекта, включающие каталог координат опознаков и оригиналы снимков с наколотыми на них изображениями точек и описаниями этих точек; — цифровая модель рельефа поверхности объекта, в виде регулярной сетки. Процесс цифрового ортофототрансформирования включает следующие этапы: — внутреннее ориентирование цифровых изображений объекта; — определение элементов внешнего ориентирования снимков объекта по опорным точкам; — создание цифровых трансформированных снимков.
Рассмотрим подробно эти процессы. Цифровые изображения объектов и методы измерения цифровых изображений. Цифровое изображение хранится в памяти компьютера, в общем случае, в виде прямоугольной матрицы, элементы аи которой содержат информацию об оптических плотностях или цвете элементарных участков изображения, а номера і строки и j столбца элемента ау определяют его положение в матрице. Нумерация строк и столбцов матрицы цифрового изображения начинается с нуля [13]. » Хг Ос Рис.2.1 Координаты центров пикселей в левой прямоугольной системе координат цифрового изображения ос хс У с (рис.2.1), началом которой является левый верхний угол цифрового изображения, определяются в, так называемых, пиксельных координатах (единицей измерения в этом случае является пиксель).
Пиксельные координаты центров пикселей в системе координат цифрового изображения ос хс ус определяют по формулам: хр =У + 0.5] (2.1) У„ =/ + 0.5 Для измерения координат точек цифрового изображения его визуализируют на экране дисплея. Если пиксель изображения на экране дисплея соответствует пикселю исходного цифрового изображения, то с помощью "мыши" или клавиатуры компьютера можно навести измерительную марку, формируемую в виде цифрового изображения на экране дисплея, на точку изображения с точностью до одного пикселя.
Для получения подпиксельной (субпиксельной) точности можно увеличить матрицу изображения на экране монитора относительно исходного цифрового изображения. В этом случае каждый пиксель исходного изображения будет изображаться матрицей пхп пикселей, численные значения всех элементов а у которой будут равны численному значению элемента ау матрицы исходного изображения.
Съёмка архитектурного сооружения трёхмерным лазерным сканером RIEGL LMS-Z210
По созданному ортофотоплану объекта и цифровой модели поверхности объекта создаются трехмерные векторные цифровые модели объекта. Такие модели могут быть созданы, например, в модуле «Vector» цифровой фотограмметрической системе «Photomod». В этом модуле создание векторной цифровой модели объекта производится следующим образом. При наведении измерительной марки на точку цифрового ортофотоплана, по ортофотоплану определяются координаты точки объекта
X,Y в системе координат объекта. По координатам X,Y точки объекта по цифровой модели объекта определяется координата Z этой точки.
Таким образом, измеряя ортофотоплан можно получить цифровую модель объекта в виде точек, полилиний и полигонов или других графических примитивов.
В случае, если модель объекта, полученная в результате трёхмерного лазерного сканирования, из-за её дискретного характера не в полной мере отображает перегибы рельефа поверхности снимаемого объекта, производят стереофотограмметрическую съёмку объекта.
При этом стереофотограмметрическая съёмка производится не с целью определения с необходимой точностью координат точек объекта, а только с целью стереоскопического наблюдения этого объекта для проведения процесса коррекции цифровой модели рельефа поверхности объекта, полученной в результате трёхмерного лазерного сканирования. Для достижения этой цели достаточно произвести стереофотограмметрическую съёмку с базиса фотографирования небольшой длины.
Учитывая, что построение и внешнее ориентирование модели, построенной по такой стереопаре снимков методом двойной обратной фотограмметрической засечки, не может обеспечить достаточную точность определения элементов внешнего ориентирования снимков из-за большого продольного перекрытия снимков, их фотограмметрическую обработку необходимо производить по методу связок.
После определения элементов внутреннего и внешнего ориентирования стереопары снимков объекта, на цифровой стереофотограмметрической системе производят совместное наблюдение в стереоскопическом режиме фотограмметрической модели объекта построенной по стереопаре снимков и визуализированной цифровой модели рельефа объекта построенной по стереопаре снимков и визуализации ЦМР объекта, построенной по результатам трехмерного лазерного сканирования.
По визуализированным в стереоскопическом режиме моделям, осуществляется построение структурных линий рельефа поверхности объекта, а затем повторное построение ЦМР с учетом структурных линий.
В результате наблюдения стереопары выявляют точки ЦМР совпадающие с линией перегиба рельефа. Определив ее высоту по ЦМР, устанавливают марку цифровой фотограмметрической системы на эту величину, производят векторизацию линий перегиба рельефа в виде полилиний или полигона.
В большинстве случаев практики линии перегиба параллельны плоскости фасада архитектурного сооружения и описанная выше методика проведения структурных линий наиболее эффективна для решения этой задачи.
В случае, если линия перегиба не параллельна плоскости фасада, необходимо продлить её векторизацию по точкам ЦМР наиболее близко расположенным к этой линии и имеющих с ней одинаковую координату Z.
После построения уточнённой цифровой модели рельефа производится построение ортофотоплана, а затем и цифровой трёхмерной векторной модели объекта.
Таким образом, в результате исследования совместного использования фотограмметрической съёмки и данных трёхмерного лазерного сканирования разработан: - метод создания ортофотопланов по фотоизображению (цифровому или аналоговому) и цифровой модели поверхности объекта, полученной в результате трёхмерного лазерного сканирования, когда точность и подробность «облака точек» соответствует необходимой точности съёмки; - метод получения ортофотопланов по стереофотограмметрической съёмке с базиса небольшой длины и по цифровым моделям объекта, полученным в результате трёхмерного лазерного сканирования; - метод получения трёхмерных векторных моделей объекта по ортофотоплану.
Известно, что информация об объектах, полученная в результате съёмки, осуществлённой с помощью систем трёхмерного лазерного сканирования, представляет собой дискретную совокупность точек принадлежащих объекту, пространственные координаты которых в системе координат объекта определены (см. глава) 1.
Трёхмерные лазерные сканеры сопровождаются программным обеспечением для обработки данных. Это программное обеспечение позволяет производить измерение объектов по «облаку точек», ортогональная проекция которого на произвольно ориентированную в пространстве плоскость визуализируется на экране дисплея компьютера. Идентифицируя изображения точек "облака", можно производить измерения расстояний между точками, создавать векторный чертёж объекта и т.п. По точкам "облака" можно создать цифровую модель поверхности объекта в виде триангуляции Делоне, а также построить профили или сечения его поверхности. При съёмке инженерных объектов можно аппроксимировать участки объекта плоскостью, цилиндром и другими плоскими или пространственными фигурами.
При измерении объектов съёмки сложной формы по изложенной выше методике часто возникают сложности в интерпретации этих объектов по плоскому изображению "облака точек". Это обстоятельство снижает эффективность обработки результатов трёхмерной лазерной съёмки. С целью устранения указанного недостатка, в данной работе предложен стереоскопический метод наблюдения и обработки данных трёхмерного лазерного сканирования по стереопаре изображений "облака точек".
Похожие диссертации на Разработка и исследование фотограмметрических технологий обмеров архитектурных сооружений с использованием лазерных тр#хмерных сканеров
