Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технических программных средств для сбора данных и создания 3D моделей
1.1 Понятие 3D модели местности 10
1.2 Технические средства и методы сбора пространственной информации об объектах местности 11
1.3 Программные продукты для создания трехмерных моделей местности 17
2 Разработка технологий создания 3D моделей
2.1 Анализ технологий создания 3D моделей 29
2.2 Разработка методики совместной обработки материалов космических съемок высокого и сверхвысокого разрешения, цифровых, аэро- и наземных съемок, а также материалов воздушного лазерного сканирования для создания реалистичных 3D моделей 40
2.3 Принципы формирования 3D моделей 48
2.4 Разработка технологических схем создания 3D моделей по различным типам исходных данных 57
3 Экспериментальные работы по исследованию предложенных методик создания 3D моделей
3.1 Исследование технологии создания 3D моделей по материалам космической съемки, цифровой аэросъемки и цифровой наземной съемки 64
3.2 Создание 3D моделей местности по материалам цифровой аэрокосмической съемки с использованием искасственных объектов созданных в AutoCAD 83
3.3 Технология получения реалистических 3D моделей по данным материалов лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки
Заключение 99
Список использованных источников 100
- Технические средства и методы сбора пространственной информации об объектах местности
- Программные продукты для создания трехмерных моделей местности
- Разработка методики совместной обработки материалов космических съемок высокого и сверхвысокого разрешения, цифровых, аэро- и наземных съемок, а также материалов воздушного лазерного сканирования для создания реалистичных 3D моделей
- Создание 3D моделей местности по материалам цифровой аэрокосмической съемки с использованием искасственных объектов созданных в AutoCAD
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для представления пространственных объектов местности широко используются 3D модели, которые позволяют на экране компьютера наблюдать псевдопространственную картину. 3D модель местности обладает гораздо более широкими возможностями, нежели ее двумерный аналог. Наглядно-образный тип мышления играет важную роль в механизмах восприятия окружающего мира и в формировании представлений о нем. Поэтому трехмерные компьютерные модели вызывают большой интерес у пользователей, и такое представление информации предпочтительнее, чем двумерное или 2,5-мерное, которое используется в традиционной картографии.
3D модели являются исключительно эффективным иллюстративным материалом, так как позволяют рассматривать модель со множества точек пространства. Трехмерное моделирование используется во многих областях человеческой деятельности и позволяет изучать физический объект по его аналогу -3D модели. Например, 3D моделирование широко используется в строительстве, моделировании городских территорий, технических сооружений (например, трубопроводов), в лесном и сельском хозяйстве.
Для трехмерного моделирования обычно используются картографические материалы и ЦМР, полученные различными методами. Однако наиболее эффективным методом получения информации для создания 3D моделей являются данные аэрофотосъемки, космической и лазерной съемки, так как по этим данным можно получить как метрические, так и текстурные данные, необходимые для построения реальной модели.
Примером 3D модели местности, сочетающей в себе наглядность и мет-ричность, может послужить проект Google Earth, который уже имеет огромную популярность и среди специалистов, и среди обычных пользователей сети Internet. Проект Google Earth представляет собой пространственную модель Земли, созданную на основе спутниковых снимков высокого разрешения и ЦМР, по которой можно просматривать трехмерные изображения крупных городов с различной детальностью. В большинстве случаев объекты 3D моделей данного проекта отображаются на основе использования топографических карт, высотная часть выполняется «выдавливанием» на определенную высоту, а текстура наносится определенным рисунком из заданного каталога. В то же время методы, основанные на использовании фотограмметрических способов получения информации по космическим или аэрофотоснимкам, позволяют создать реалистичную измерительную 3D модель местности.
Однако в настоящее время методы создания 3D моделей на основе использования фотограмметрической обработки изображений разработаны недостаточно полно.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является разработка методик совместной обработки материалов космической съемки высокого и сверхвысокого разрешения, аэро-
съемок и цифровых наземных съемок, а также технологических схем построе
ния реалистичных 3D моделей. -
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ современных методов и технологий сбора и обработки различных типов данных для построения 3D моделей;
разработать методики построения реалистичных измерительных 3D моделей по различным типам данных дистанционного зондирования;
разработать методику совмещенной обработки данных воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки для получения реалистичных 3D моделей.
Теоретическая и методологическая база исследования. В работе использованы методы цифровой обработки изображений, аналитической и цифровой фотограмметрии, а также теоретические основы построения 3D моделей с использованием фотограмметрических методов и методов воздушного лазерного сканирования.
Информационная база исследования. Базой для проведения работ являются выполненные ранее исследования в области цифровой обработки снимков. Исходными материалами для разработки методики являются космические снимки высокого и среднего разрешения, аэрофотоснимки и наземные цифровые снимки, а также данные воздушного лазерного сканирования.
Научная новизна. Научная новизна заключается в том, что разработаны методики комплексного сбора и обработки данных для построения реалистичных измерительных 3D моделей, обеспечивающих различную детальность, отличающиеся тем, что построение 3D модели основано на использовании пространственных моделей, полученных фотограмметрическими методами.
Практическая значимость. Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны методики построения измерительных 3D моделей на основе информации, полученной по космическим снимкам высокого и сверхвысокого разрешения, цифровым аэрофотоснимкам и данным воздушного лазерного сканирования, основанные на использовании стандартных программных пакетов фотограмметрической обработки изображений и 3D моделирования.
Предлагаемые методики были использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме «Разработка методологии аэрокосмического мониторинга природных и антропогенных объектов на региональном уровне». Номер государственной регистрации НИР: 01 2007.03297.
Основные результаты диссертации внедрены в учебный процесс СГГА и используются при изучении практического курса «Технология создания трехмерных виртуальных карт» студентами специальности «Аэрофотогеоде-зия». Методики переданы и используются в филиале ФГУП Рослесинфорг «За-псиблеспроект» для выполнения практических работ, а также в ООО «Компания «Динамика».
Положения, выносимые на защиту:
1. Методики и технологические схемы создания реалистичных 3D моделей по космическим снимкам высокого и сверхвысокого разрешения, в том числе по аэрофотоснимкам и материалам цифровой наземной фотосъемки, а также по
материалам лазерной и цифровой аэрофотосъемки и космическим снимкам высокого разрешения.
2. Результаты анализа различных технологических схем создания реалистичных 3D моделей и рекомендации по формированию комплексной технологии обработки космических снимков высокого и сверхвысокого разрешения, цифровых аэрофотоснимков и данных воздушного лазерного сканирования.
Основные результаты исследования:
проведен анализ современных методов и технологий сбора и обработки различных типов данных для построения 3D моделей;
разработаны методики совместной обработки материалов космических съемок высокого и сверхвысокого разрешения, цифровых, аэро- и наземных съемок, а также материалов воздушного лазерного сканирования для создания реалистичных 3D моделей;
в результате экспериментальных работ были получены реалистичные 3D модели по космическим снимкам высокого разрешения на отдельные участки Новосибирска и Екатеринбурга, а также крупномасштабные 3D модели по цифровым аэро- и наземным снимкам на участок территории Академгородка (Новосибирск), 3D модель карьера и участка леса горной местности.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение:
на IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008» (апрель 2008 г., г. Новосибирск);
на Международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы» (декабрь 2009 г.);
на VI Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2010» (апрель 2010 г., г. Новосибирск);
на Международном молодежном инновационном форуме «Интерра'10», (23-24 сентября 2010 г., г. Новосибирск).
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в б научных работах, из них 2 статьи - в изданиях, входящих в Перечень рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка, содержащего ПО наименований использованных источников, и 9 приложений. Общий объем составляет 127 страниц печатного текста, включает 43 рисунка, 3 таблицы.
Технические средства и методы сбора пространственной информации об объектах местности
В конце прошлого века, т.е. несколько лет назад, информационные системы, обеспечивающие трехмерное представление данных, практически были ориентированы на решение задач разработки нефтяных и газовых месторождений. Это объяснялось высокой ценой как зарубежного программного обеспечения, так и средств сбора исходных данных.
В настоящее время в Российской Федерации 3D модели начинают использоваться в различных сферах деятельности: на транспорте (наземном, морском, воздушном), для решения навигационных задач, для решения задач экологии и природопользования, в геологии и геофизике, в системе МВД и МЧС, при проектировании и прокладке подземныхs коммуникаций, трубопроводов различного назначения, в проектно-изыскательских и архитектурно-планировочных работах [84].
Трехмерные цифровые модели представляют собой в общем случае трехмерные пространственные аналоги реальных объектов местности.
В научной и технической литературе приводятся различные определения и обозначения, например, 3D ЦММ, 3D модели, 3D сцены, виртуальные модели местности [85]. В отличие от фотограмметрической стереомодели местности, в которой геометрическая модель строится на пересечении связок проектирующих лучей, трехмерная модель представляет собой математическую модель, описывающую геометрические и оптические свойства поверхности объекта. ГОСТ Р 52055-2003 [14] регламентирует следующее определение.
Пространственная модель (3D модель) местности — это наглядное и измеримое изображение земной поверхности и объектов местности на электронных средствах отображения информации, воспроизведенное в соответствии с заданными условиями наблюдения (обзора) на основе цифровой информации о местности (цифровых карт, цифровых моделей местности), космических или аэрофотоснимков и рельефных карт.
Цифровая модель местности включает в себя цифровую модель рельефа ЦМР и цифровую 3D модель объектов местности.
Под ЦММ понимается цифровая модель местности, содержащая, информацию о плановом (координаты X, Y) и высотном положении объектов местности, имеющих искусственное происхождение, кроме рельефа [85].
ЦМР - совокупность точек с координатами X, Y, для которых определено значение Z и способ описания поверхности, который позволяет для каждой точки с координатами X, Y получить значение Z.
Методика сбора информации определяется комплексом технических и программных средств, осуществляющих подготовку, сбор, первичную обработку, ввод и редактирование данных.
При геодезическом методе получения пространственных характеристик объектов местности наибольшее применение на сегодняшний день находят электронные тахеометры и спутниковые радионавигационные системы (GPS, ГЛОНАСС и др.). Результаты измерений поступают в виде набора координат X,Y и Z в специализированные 1111 постобработки геодезических измерений, например, GPSurvey 2.35а, CREDO. Одновременно формируется семантическая информация [85].
Основным недостатком GPS-технологий является отсутствие возможности проведения измерений на густонаселенных, залесенных и городских территориях. Недостатком геодезического метода сбора информации является большая трудоемкость полевых работ.
Перспективно использование технологий наземной лазерной локации, в которых с комплектом оборудования для сканирования также предоставляется специализированное ПО для автоматизации процессов обработки данных.
Необходимо сказать, что избыточная (для решения большинства практических задач) детальность получаемой информации в результате лазерного сканирования (излишняя плотность «массива точек») составляет значительный недостаток этого метода. Оперирование огромными массивами данных возможно только при соответствующей (очень высокой) вычислительной мощности компьютера, а также требует больших затрат труда. Последний фактор отрицательно сказывается на стоимости выходной продукции.
Также перспективным методом является использование наземных снимков, полученных цифровыми камерами.
Трехмерная реконструкция инженерных сооружений этим методом позволяет формировать участки небольших территорий и отдельных объектов [85].
Сканирование архивных картографических (бумажных) материалов широко распространено, несмотря на трудоемкость получения и обновления данных.
3D геопространственную информацию о местности с успехом получали в прошлом и, вероятнее всего, будут получать и в будущем путем измерений по стереоскопической модели, формируемой по паре перекрывающихся аэро-или космических снимков [5, 17]. Стереотопографический метод до настоящего времени является главным технологическим звеном производства и обновления топографических данных [43, 44].
Стереофотограмметрическая обработка аэрокосмических снимков является наиболее эффективной, т.к. существует возможность получения информации практически на любой участок поверхности Земли, в том числе и на труднодоступные, удаленные и закрытые территории, в сжатые сроки и с необходимой для решения большинства прикладных хозяйственных задач детальностью [5, 17].
На основе аэро- и наземных (а в последнее время и некоторых космических высокого разрешения) стереоснимков могут быть получены и геометрия, и текстуры моделируемых объектов.
Современный уровень развития ПО позволяет снизить трудозатраты в значительной степени, автоматизируя многие процессы производства.
Можно сделать вывод, что наиболее перспективным и экономически выгодными на сегодняшний день являются стереофотограмметрические методы получения пространственной информации об объектах местности [43, 44, 87].
Рассмотрим подробнее съемочные системы, формирующие изображения, так как в данной работе для построения 3D моделей используется фотограмметрический метод обработки снимков различного типа для сбора пространственной данных и текстурирования при построении 3D моделей.
Космические съемочные системы среднего, высокого и сверхвысокого разрешения. В настоящее время съемку выполняют более двадцати спутников, на которых устанавливается разная съемочная аппаратура, обеспечивающая получения изображений вышеописанных классов.
Программные продукты для создания трехмерных моделей местности
Пакет Maplnfo "специально спроектирован для обработки и анализа информации, имеющей адресную или пространственную привязку. Maplnfo — это картографическая база данных. Встроенный мощный язык запросов SQL ММ благодаря географическому расширению позволяет организовать выборки с учетом пространственных отношений объектов, таких, как удаленность, вложенность, перекрытия, пересечения, площади и т.п. Запросы к базе данных можно сохранять в виде шаблонов для многократного использования. В Maplnfo имеется возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе индексов [30].
Данные об объектах берутся непосредственно из таблицы слоя. К примеру, слой «Здания из дерева» представлен двумя файлами с расширением MID/MIF. Файл с расширением MID содержит семантическую информацию. В качестве основы берется код объекта - например, 44230000. Этот код обозначает здание жилое неогнестойкое. Далее в таблице указывается этажность, например, 2 этажа, материал сооружения - дерево, функциональное назначение, тип улицы, название улицы и номер дома. Для построения трехмерного объекта из данной таблицы берется код, этажность и материал. На основе этих данных строится многоэтажный дом, информация о местоположении данного дома и его конфигурации находится в файле с расширением MIF. В итоге получаем здание с координатной привязкой к местности нужной нам высоты из нужного нам материала.
Зачастую в программе Maplnfo над одним проектом работают несколько человек и, как правило, этот проект постоянно обновляется, добавляются новые слои, строятся-сносятся здания, и получается, что часть информации, допустим, о зданиях, просто оказывается не внесенной. Например, в графе материал вместо деревянного здания стоит просто прочерк. Конечно, это скорее исключение из правил, но для построения корректной и достоверной модели требуется по возможности полная информация.
В существующих технологиях создания 3D моделей местности в и построении ЦМР аэрокосмические снимки не участвуют, а используются только для текстурирования земной поверхности. Для создания текстур объектов местности также используются обычные фотографии объектов местности.
Примеров реализации технологий достаточно много, например, ГИС на район, прилегающий к МосГУГиК - ГИС МосГео, созданная в Московском государственном университете геодезии и картографии (МосГУГиК).
В последнее время разрабатываются методики и технологии получения по снимкам не только текстуры для 3D объектов, но и пространственных данных. В этом случае построение пространственных моделей объектов местности выполняется путем фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков [58, 61, 84-87, 91].
Однако технологии использования фотограмметрических методов построения 3D модели недостаточно разработаны и используется редко, хотя за рубежом эти методы получили достаточно широкое распространение. Цифровые векторные данные, создаваемые в цифровых фотограмметрических системах, проходят процесс постобработки в различных САПР или ГИС. Создание полной трехмерной сцены производится в ПП трехмерного моделирования.
В настоящее время также разработаны новые технологии получения трехмерной информации по одиночным изображениям, ЦМР и с использованием 3D примитивов для формирования объектов . В этом случае высоты зданий или деревьев задаются приблизительно, а текстура берется со снимков [75, 77]. В качестве плановой основы используется ортофотоплан, полученный по снимкам и ЦМР. Эти технологии основаны на использовании геометрических свойств объектов, законов их отображения на плоскости, закономерностей распространения теней. Такие технологии дают возможность повысить производительность процесса обработки снимков и, как следствие, снизить стоимость продукции.
В зависимости от требований, предъявляемых к 3D модели местности, а также состава и качества исходных материалов, в общей технологической схеме могут меняться те или иные блоки [39-41, 55].
Нилом МакКерди, докторантом Университета штата Калифорния в Сан-Диего, был осуществлен проект RealityFlythrough, который предусматривает использование цифровых и статических видеокамер для создания полноценной динамической 3D модели пространства в режиме реального времени [23].
Алгоритмы, используемые многими популярными программами, сегодня дают возможность автоматически найти «линию шва» при объединении нескольких фотографий в единый панорамный снимок. Подобные технологии применялись и в этом проекте для моментального объединения нескольких видеорядов и дополнительных цифровых фотографий в единую трехмерную модель окружающего пространства. Камеры, поддерживаемые GPS, давали серверу информацию о принадлежности изображения к определенной зоне.
Получая мгновенные видео с нескольких точек в городском квартале, специальное ПО создавало его 3D модель, позволяя, таким образом, пользователю совершить виртуальную прогулку.
Поскольку данные, получаемые с видеокамер, транслировались на сервер по беспроводной сети, возникала проблема выбора между качеством видео и скоростью его обновления. Наличие цифровых фотографий высокого разрешения; которые передавались на сервер не так часто, как видеокадры, позволяли программе-«скоросшивателю» улучшать общее качество трехмерной модели, подставляя фото вместо слегка расплывчатого видео [23].
Однако подобные модели ограничены областью расположения видеокамер и цифровых фотоаппаратов. К тому же их невозможно передать в какую-либо САПР-программу без предварительной обработки, хотя такие модели могут найти свои области применения для решения ряда задач, например, для контроля загруженности транспортных разъездов, мониторинга загрязнения воздуха в данном районе города в различные периоды времени и т.д.
Особое значение на сегодняшний день занимают технологии лазерного сканирования, обеспечивающие получение высокоточных пространственных измерений. Данная технология позволяет получать 3D модели, с высокой точностью, но требует выполнения полевых работ, и формируемая информация является избыточной для решения ряда прикладных задач хозяйственной деятельности человека.
Трехмерную геопространственную информацию о местности с успехом получали в прошлом и, вероятнее всего, будут получать и в будущем путем измерений по стереоскопической модели, формируемой по паре перекрывающихся аэро- или космических снимков. Стереотопографический метод до настоящего времени является главным технологическим звеном производства и обновления топографических данных.
Современный уровень развития ПО позволяет снизить трудозатраты в значительной степени, автоматизируя многие процессы производства. Анализируя существующие технологии, можно сделать вывод, что наиболее перспективными и экономически выгодными на сегодняшний день являются технологии получения реалистичных измерительных 3D моделей с использованием стереофотограмметрических методов получения пространственной информации об объектах местности и для формирования текстур 3D модели.
Разработка методики совместной обработки материалов космических съемок высокого и сверхвысокого разрешения, цифровых, аэро- и наземных съемок, а также материалов воздушного лазерного сканирования для создания реалистичных 3D моделей
Далее осуществлялось построение матрицы высот ранее построенному TIN. На шестом этапе выполнен переход в модуль «Mosaic», в котором создавался ортофотоплан. Для создания ортофотоплана необходимо было выбрать трансформируемую область на стереопаре, прописать путь в директорию, куда ранее была сохранена цифровая модель рельефа, и затем выставить параметры выходных изображений в появившемся окне «Параметры». После этого с помощью команды «Мозаика» / «Построить» был получен цифровой ортофотоплан.
Модель сохраняется и через команду «Экспорт» переводится в программный продукт «AutoCad» для того, чтобы пересохранить модель в формат DXF, который воспринимается программным продуктом 3D Studio МАХ.
Создание по векторной основе SD-модели объекта местности в программном продукте «3D Studio МАХ»
Для начала работ по построению трехмерной модели в программном продукте 3D Studio МАХ необходимо экспортировать двумерную модель. Далее в появившемся окне «Select File to Export» нужно выбрать необходимый файл и сохранить его заново, задав, новое имя и выбрав новый тип файла — .3DS.
Для того, чтобы сделать объект трехмерным, нужно выделить изменяемую часть объекта и, выбрав функцию «Modify», в модификаторе «Editable Spline» выделить функцию «Spline», далее в появившемся справа списке команд выбрать «Geometry» и применить функцию «Detach» (рисунок 14). В появившемся окне задается или номер или название изменяемой части объекта.
Выбор части объекта и применение кнопки «Detach» Далее для выбранного участка необходимо применить модификатор выдавливания «Extrude».
После этого в правом окне параметров («Parameters») устанавливается высота, которая ранее стереоскопически была измерена в модуле программного комплекса PHOTOMOD «DTM». Для установки промежуточных значений высот от 0 до 0.5, от 1.0 до 1.5 и так далее объект разделяется на рассчитанное количество сегментов. В результате чего получается трехмерная выбранная часть объекта, как показано на рисунке 15.
Фотографирование объекта на цифровую камеру осуществлялось с целью получения информации о текстуре и о тех элементах, которых не было видно на аэроснимках. Съёмка проводилась в феврале 2010 года, в результате съёмки было получено 86 снимков в формате JPEG.
Однако при выполнении наземной съёмки объекта было невозможно выполнить съемку так, чтобы оптическая ось камеры была перпендикулярна к плоскости фасада здания, поэтому приходилось наклонять камеру - объект фотографировался снизу вверх, из-за этого появились существенные геометрические искажения в положении точек снимка, а также в область фотографирования попадали посторонние предметы. Поэтому необходимо редактировать фотографии в программном продукте Photoshop (путем аффинного преобразования изображений).
Полученное изображение имеет формат JPEG. Ему присваивается новое название, в зависимости от принадлежности к определенному зданию и материалу. В результате были получены текстуры, которые в дальнейшем были использованы для визуализации 3D модели объекта местности.
Текстурирование трехмерной модели объекта местности в программном продукте 3D Studio МАХ
Сначала необходимо выбрать часть текстурируемого объекта и применить модификатор «UVW Мар», в котором выбирается функция «Gizmo». Далее в параметрах выставляется тип «Box», а затем модуль выравнивается по нормали с помощью функции «Normal Aligne». Затем на панели инструментов выбирается модуль «Material Edition» («Редактор материалов»)
Затем для идентификации каждой стенки объекта для них задаются номера в модификаторе «Edit Poli» и цвета путем использования закладки «Diffuse Color».
На следующем этапе применяем функцию «Material #12 (Standard)», затем в появившемся списке «В linn Basic Parameters» используем функцию «Deffuse», после чего в появившемся списке выбираем браузер «Bitmap» и указываем путь в директорию, где хранится необходимая текстура.
Текстура ориентировалась при помощи функций: «Offset» («Смещение»), «Tilling» («Управление окнами»), «Angle» («Угол»), находящихся в списке «Coordinate» модификатора «Material Edition». После того, как текстура «натянута» и выровнена, необходимо применить дважды функцию «go to Parent» , переходя в список «Multi / Sub-Object Basic Parameters».
В результате получается измерительная текстурированная 3D модель объекта местности. Общий вид 3D модели показан в приложении Г.
На заключительном этапе приведения модели к реалистичному виду необходимо произвести освещение и анимацию трехмерной модели. При освещении модели сначала выбирается в панели инструментов функция «Light» («Свет»). Далее в списке «Object Туре» выбирается функция «Target Spot», затем - «Render Scene Dialog». В этом окне в списке «Common Parametrs» используется функция «Active Time Segment», и в списке «Output Size» выбирается размер кадра 640x480, после чего нужно выполнить операцию «Files» в свитке «Render Output». В результате получается визуализированная «подвижная» модель объекта местности в формате .avi, просмотр которой осуществляется в любой программе для просмотра видео на экране ПК Построение реалистичной 3D модели здания гостиницы «Золотая Долина» по цифровым и наземным фотоснимкам в программном продукте Google SketchUp [40]
Обработка снимков выполнялась с помощью комплекса PHOTOMOD, пространственную модель получали так же, как и при построении реалистичной 3D модели здания гостиницы «Золотая Долина» для обработки в 3DsMAX.
После выполнения этапов 1-6 файл формата DXF был экспортирован в программу Google SketchUp для дальнейшей обработки.
После того, как все элементы были «выдавлены» на заданную высоту, полученную в результате фотограмметрической обработки снимков, 3D модель гостиницы имела следующий вид (рисунок 16).
Создание 3D моделей местности по материалам цифровой аэрокосмической съемки с использованием искасственных объектов созданных в AutoCAD
Для освещения трехмерной сцены было использовано одновременно несколько стандартных точечных осветителей omni для имитации солнечного света. Данный источник освещения был выбран благодаря реализации в нем простого алгоритма расчета освещения поверхностей трехмерной сцены, что позволило в несколько раз снизить время визуализации трехмерной модели.
Для придания реалистичного вида трехмерной сцены были созданы объекты растительности с использованием стандартной библиотеки АЕС Objects / Foliage. Трехмерная модель с объектами растительности представлена на рисунке 33.
Визуализация трехмерной модели - это заключительный этап приведения трехмерной модели к фотореалистичному виду. В ПП 3D Studio МАХ данный процесс выполняется с помощью стандартных и встраиваемых модулей-визуализаторов, примером которых могут служить FinalRender Stage, MentalRay, VRay и т.д.
Визуализация выполнялась в виде записи полета в видеофайл без возможности изменения направления полета. Реализованный метод визуализации трехмерной модели нетребователен к машинным ресурсам, позволяет сохранять видеоролик в формате AVI и воспроизводить на любых компьютерах без программ визуализации и анимации.
Построение трёхмерных моделей объектов местности в программном продукте Google SketchUp [40, 42] Обработка снимков выполнялась с помощью комплекса PHOTOMOD, аналогично тому как для 3D модели здания гостиницы «Золотая Долина» в программном продукте 3DsMAX. Векторные данные, полученные в результате стереоскопической обработки стереопар аэрофотоснимков в PHOTOMOD, были сохранены в формате DXF. Процесс построения трёхмерных моделей объектов в Google SketchUp при наличии контуров крыш и оснований зданий имеет следующую последовательность: - импорт векторных данных стереорисовки контуров крыш и оснований зданий (представлен на рисунке 34). рисовка по контуру с помощью инструмента «линия» оснований зданий для того, чтобы все вершины основания лежали в одной плоскости, удаление первоначального контура основания; с помощью инструмента выдавливания «выдавить» плоскость основания на высоту, соответствующую высоте здания (рисунок 35) удалить первоначальный контур крыш.
Рисунок 36 - Текстурирование поверхностей объектов - экспорт файла с помощью команды Файл/Экспорт/ЗО модель. Визуализация трёхмерной модели с помощью программного продукта Google Earth Именно в трёхмерности ландшафтов поверхности Земли и состоит главное отличие программы Google Earth от её предшественника Google Maps. Пользователь может легко перемещаться в любую точку планеты, управляя положением «виртуальной камеры».
В ПП Google Earth данный процесс выполняется с помощью команды Добавить/Модель. При этом загружается файл, который был экспортирован на конечном этапе обработки в Google SketchUp.
В результате был создан фрагмент 3D модели г. Екатеринбурга в Google Earth для свободного пользования в сети Интернет. Рисунок 38 - Фрагмент 3D модели г. Екатеринбурга в Google Earth для свободного пользования в сети Интернет
В таблице 3 приведены результаты оценки точности построений: точность построения фотограмметрической модели местности и создания ортофотоплана.
Оценка точности построения 3D модели СКО расхождения между расстояниями, измеренными между соответствующими точками на фотограмметрической модели и 3D модели 0,016 0,016 0,017
Для оценки точности построенной по этим данным 3D модели были выполнены сравнения длин отрезков на фотограмметрической модели местности и соответствующих длин отрезков на 3D модели (СКО приведены в таблице 3). Результаты показывают, что практически, при передаче данных различные ПП при построении 3D модели точность построенной 3D не меняется. Разрешающую способность и тип снимков можно выбирать в соответствии с точностью модели местности и ортофотоплана, которые можно построить по этим снимкам. Например, по космические снимкам с разрешением 1 м можно создать топографическую карту и соответственно 3D модель масштаба 1:5000.
Технология получения реалистических 3D моделей по данным материалов лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки Технологическая схема построения 3D модели представлена в разделе 2.2. Экспериментальные работы по построению 3D моделей по данным лазерного сканирования и цифровой аэросъемки выполнялись по материалам, полученным от «Госземкадастрсъемка» на территорию Ивалгинского полигона (Бурятия). Съемка была выполнена с использованием лазерного сканера Leica ALS-60 и цифрового аэрофотоаппарата Leica RCD 105, которые сопровождались измерениями бортовых GPS и IMU.
Для обработки данных использовался программный продукт Terra Solid на базе платформы MicroStation компании Bentley [39].
Исходные данные, полученные после выполнения полевых работ: бортовые данные GPS и IMU; данные со сканера; GPS данные БС; цифровые аэрофотоснимки (сырые), файл с метками времени срабатывания затвора ЦАФА.
Основные этапы получения реалистических 3D моделей по данным материалов лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки: - лазерное сканирование и цифровая аэросъемка территории; - расчет траектории полета; - построение модели по данным лазерного сканирования на основе использования траектории полета; - построение ЦМР и цифрового ортофотоплана; - 3D моделирование объектов местности; - оценка точности созданной 3D модели объектов местности.
В данной работе для создания 3D моделей на основании использования данных воздушного лазерного сканирования и материалов аэросъемки использован программный продукт Terra Solid на базе платформы MicroStation компании Bentley. На рисунке 39 представлены данные обработки воздушного лазерного сканирования в ПП Terra Solid.
