Сбор 3D данных и реконструкция объекта - 3D data acquisition and object reconstruction

Сбор и реконструкция трехмерных данных - это создание трехмерных или пространственно-временных моделей на основе данных датчиков. Эти методы и теории, вообще говоря, работают с большинством или всеми типами датчиков, включая оптические, акустические, лазерные, радарные, тепловые, сейсмические.

Получение

Сбор данных может происходить с помощью множества методов, включая 2D-изображения, полученные данные датчиков и датчики на месте.

Получение из 2D-изображений

См. Также: Фотограмметрия

Сбор 3D-данных и реконструкция объекта могут выполняться с использованием пар стереоизображений. Стереофотограмметрия или фотограмметрия, основанная на блоке перекрывающихся изображений, является основным подходом к 3D-картированию и реконструкции объектов с использованием 2D-изображений. Фотограмметрия ближнего действия также достигла уровня, когда камеры или цифровые камеры могут использоваться для захвата изображений объектов, например зданий, и их реконструкции с использованием той же теории, что и аэрофотограмметрия. Примером программного обеспечения, которое может это сделать, является Vexcel FotoG 5. Это программное обеспечение было заменено на Vexcel GeoSynth . Еще одна аналогичная программа - Microsoft Photosynth .

Сиси Златанова представила полуавтоматический метод получения трехмерных топологически структурированных данных из двухмерных аэрофотоснимков . Процесс включает ручную оцифровку ряда точек, необходимых для автоматического восстановления трехмерных объектов. Каждый реконструированный объект подтверждается путем наложения его каркасной графики на стереомодель. Топологически структурированные 3D-данные хранятся в базе данных и также используются для визуализации объектов. Известное программное обеспечение, используемое для получения 3D-данных с использованием 2D-изображений, включает, например, Agisoft Photoscan , RealityCapture и ENSAIS Engineering College TIPHON (Traitement d'Image et PHOtogrammétrie Numérique).

Франц Роттенштайнер разработал метод полуавтоматического извлечения зданий вместе с концепцией хранения моделей зданий вместе с рельефом и другими топографическими данными в топографической информационной системе. Его подход был основан на интеграции оценок параметров здания в процесс фотограмметрии с применением схемы гибридного моделирования. Здания разбиваются на набор простых примитивов, которые реконструируются индивидуально, а затем объединяются логическими операторами. Внутренняя структура данных как примитивов, так и составных моделей зданий основана на методах представления границ.

В подходе Цзэна к реконструкции поверхности из нескольких изображений используются несколько изображений. Основная идея состоит в том, чтобы изучить возможность интеграции как 3D-стереоданных, так и 2D-калиброванных изображений. Этот подход мотивирован тем фактом, что в космосе восстанавливаются только надежные и точные характерные точки, которые пережили изучение геометрии нескольких изображений. Недостаточная плотность и неизбежные пробелы в стереоданных следует затем заполнить, используя информацию из нескольких изображений. Таким образом, идея состоит в том, чтобы сначала построить небольшие участки поверхности из стерео точек, а затем постепенно распространять только надежные участки в их окрестности от изображений на всю поверхность, используя стратегию лучшего первого. Таким образом, проблема сводится к поиску оптимального участка локальной поверхности, проходящего через заданный набор стерео точек из изображений.

Мультиспектральные изображения также используются для обнаружения 3D-зданий. В процессе используются данные первого и последнего пульса и нормализованный разностный вегетационный индекс.

Новые методы измерения также используются для получения измерений объектов и между объектами на основе отдельных изображений с использованием проекции или тени, а также их комбинации. Эта технология привлекает внимание, учитывая ее быстрое время обработки и гораздо более низкую стоимость, чем при стереоизмерениях.

Сбор данных с датчиков

Также возможно полуавтоматическое извлечение зданий из данных LIDAR и изображений высокого разрешения. Опять же, этот подход позволяет моделировать без физического перемещения к месту или объекту. На основе данных LIDAR с воздуха может быть сгенерирована цифровая модель поверхности (DSM), а затем объекты, расположенные выше земли, автоматически обнаруживаются с помощью DSM. На основе общих знаний о зданиях затем используются геометрические характеристики, такие как размер, высота и форма, для отделения зданий от других объектов. Затем извлеченные контуры зданий упрощаются с использованием ортогонального алгоритма для получения лучшего картографического качества. Анализ водоразделов может быть проведен для извлечения линий гребней крыш зданий. Линии гребней, а также информация об уклонах используются для классификации зданий по типам. Затем здания реконструируются с использованием трех параметрических моделей зданий (плоских, остроконечных, шатровых).

Получение данных с датчиков на месте

LIDAR и другие технологии наземного лазерного сканирования предлагают самый быстрый и автоматизированный способ сбора информации о высоте или расстоянии. ЛИДАР или лазер для измерения высоты зданий становится очень перспективным. Коммерческое применение как бортового лидара, так и технологии наземного лазерного сканирования доказало свою эффективность в качестве быстрых и точных методов определения высоты здания. Задача извлечения здания необходима для определения местоположения зданий, высоты земли, ориентации, размера здания, высоты крыш и т. Д. Большинство зданий достаточно подробно описаны в терминах общих многогранников, т. Е. Их границы могут быть представлены набором плоских поверхностей. и прямые. Дальнейшая обработка, такая как отображение контуров зданий в виде полигонов, используется для хранения данных в базах данных ГИС.

Используя лазерное сканирование и изображения, сделанные с уровня земли и с высоты птичьего полета, Фрух и Захор представляют подход к автоматическому созданию текстурированных трехмерных моделей городов. Этот подход включает регистрацию и объединение детальных моделей фасада с дополнительной воздушной моделью. В процессе моделирования с воздуха создается модель с полуметровым разрешением с видом на всю территорию с высоты птичьего полета, включая профиль местности и вершины зданий. Результатом наземного моделирования является детальная модель фасадов здания. Используя DSM, полученный в результате лазерного сканирования с воздуха, они определяют местонахождение транспортного средства и регистрируют наземные фасады в бортовой модели с помощью локализации Монте-Карло (MCL). Наконец, две модели объединяются с разным разрешением для получения трехмерной модели.

Используя бортовой лазерный альтиметр, Хаала, Бреннер и Андерс объединили данные о высоте с существующими планами зданий. Планы зданий уже были получены либо в аналоговой форме с помощью карт и планов, либо в цифровом виде в 2D ГИС. Проект был сделан для того, чтобы обеспечить автоматический сбор данных путем интеграции этих различных типов информации. Затем модели городов виртуальной реальности генерируются в проекте путем обработки текстур, например, путем картирования наземных изображений. Проект продемонстрировал возможность быстрого приобретения 3D городской ГИС. Подтвержденные планы местности - еще один очень важный источник информации для трехмерной реконструкции здания. По сравнению с результатами автоматических процедур, эти планы местности оказались более надежными, поскольку они содержат агрегированную информацию, которая была сделана явной в результате интерпретации человеком. По этой причине планы земли могут значительно снизить затраты на реконструкцию. Примером существующих данных земельного плана, которые можно использовать при реконструкции зданий, является Цифровая кадастровая карта , которая предоставляет информацию о распределении собственности, включая границы всех сельскохозяйственных территорий и планы местности существующих зданий. Дополнительно информация в виде названий улиц и использования зданий (например, гаража, жилого дома, офисного здания, промышленного здания, церкви) предоставляется в виде текстовых символов. В настоящее время Цифровая кадастровая карта создана как база данных, охватывающая территорию, в основном состоящая из оцифрованных ранее существовавших карт или планов.

Программного обеспечения

Программное обеспечение, используемое для воздушного лазерного сканирования, включает OPALS (Ориентация и обработка данных воздушного лазерного сканирования).

Стоимость

  • Наземные лазерные сканирующие устройства (импульсные или фазовые устройства) + программное обеспечение для обработки обычно начинаются от 150 000 евро. Некоторые менее точные устройства (например, Trimble VX) стоят около 75 000 евро.
  • Наземные системы LIDAR стоят около 300 000 евро.
  • Также возможны системы с использованием обычных фотоаппаратов, установленных на вертолетах с дистанционным управлением ( фотограмметрия ), которые стоят около 25 000 евро. Системы, в которых используются фотоаппараты с воздушными шарами, еще дешевле (около 2500 евро), но требуют дополнительной ручной обработки. Поскольку ручная обработка занимает около 1 месяца на каждый день фотосъемки, в долгосрочной перспективе это все еще дорогое решение.
  • Получение спутниковых снимков - тоже дорогостоящее мероприятие. Стерео изображения высокого разрешения (разрешение 0,5 м) стоят около 11 000 евро. Спутники изображений включают Quikbird, Ikonos. Моноскопические изображения с высоким разрешением стоят около 5 500 евро. Изображения с несколько более низким разрешением (например, со спутника CORONA; с разрешением 2 м) стоят около 1000 евро за 2 изображения. Обратите внимание, что изображения Google Планета Земля имеют слишком низкое разрешение для создания точной 3D-модели.

Реконструкция объекта

Основная статья: 3D-реконструкция
См. Также: 3D-реконструкция из нескольких изображений

После сбора данных необходимо восстановить полученные (а иногда и уже обработанные) данные с изображений или датчиков. Это может быть сделано в той же программе, или в некоторых случаях трехмерные данные необходимо экспортировать и импортировать в другую программу для дальнейшего уточнения и / или для добавления дополнительных данных. Такими дополнительными данными могут быть данные GPS-местоположения, ... Кроме того, после реконструкции данные могут быть непосредственно внедрены в локальную (ГИС) карту или карту мира, такую ​​как Google Earth .

Программного обеспечения

Используются несколько программных пакетов, в которые импортируются полученные (а иногда уже обработанные) данные с изображений или датчиков. Известные программные пакеты включают:

Смотрите также

Рекомендации