free templates joomla

Доклад "Фотограмметрические методы получения 3D модели для инженерных изысканий и строительства как альтернатива методу лазерного сканирования"

9-11 декабря 2015 года сотрудники компании "Алькомп-Инжиниринг" выступили с докладами на XI научно-практической конференции и выставке "Перспективы развития инженерных изысканий в строительсвтве в Российской Федерации".

Представляем вашему вниманию доклад "Фотограмметрические методы получения 3D модели для инженерных изысканий и строительства как альтернатива методу лазерного сканирования".

Колпакова В., ведущий инженер ООО "Алькомп-Инжиниринг"
Круглова П., ведущий специалист ООО "Датумейт" 

Задачи построения 3D моделей, измерения расстояний по фотографиям появились достаточно давно. В связи с этим был разработан математический аппарат, позволяющий решить эти задачи.

Этапы настройки оборудования и обработки изображений при проведении фотограмметрической съемки стандартны и состоят из следующих этапов.

Автоматическая калибровка камеры

1. Автоматическая калибровка камеры

Автоматическое связывание изображений

2. Автоматическое связывание изображений

Автоматическая ориентация изображений

3. Автоматическая ориентация изображений

Автоматический поиск новых точек на изображении

4. Автоматический поиск новых точек на изображении

Отрисовка 3D плана непосредственно на 2D изображениях

5. Отрисовка 3D плана непосредственно на 2D изображениях

Области применения фотограмметрии

  • Создание и обновление топографических карт.
  • Проектирование и строительство зданий и сооружений.
  • Определение объемов земляных работ при рекультивации карьеров и оврагов.
  • Построение фронтальных планов зданий и сооружений.
  • Определение деформаций сооружений, трубопроводов, автомобильных и железных дорог, линий электропередач и других линейных объектов.
  • Реставрация памятников архитектуры, скульптур, пр. 
  • Охрана окружающей среды (изучение ледников и снежного покрова, исследование процессов эрозии, наблюдения за изменениями растительного покрова, изучение морских течений).
  • Киноиндустрия (совмещение игры живых актёров с компьютерной анимацией).
  • Фиксация и составление плана дорожно-транспортного происшествия или места преступления.
  • Определение по снимкам, полученным в электронном микроскопе, характеристик микрорельефа.

Кроме перечисленных, можно упомянуть такие области, как медицина, военное дело, юриспруденция (например, выявление фактов незаконной застройки), моделирование одежды.

Оборудование и программное обеспечение для фотограмметрической съемки

Фотографические методы начали широко применяться после массового появления недорогих легких фотоаппаратов с высоким разрешением. Гексакоптеры и квадрокоптеры также значительно расширили области применения и популярность фотограмметрии.

Фотоаппарат типа «мыльница» с фиксированным объективом Телескопический шест Гексакоптер
Фотоаппарат типа «мыльница» с большим разрешением и фиксированным объективом Телескопический шест (можно использовать рыболовный телескопический подсачек) Гексакоптер
 Смартфон и ПО для дистанционного управления фотоаппаратом  Тахеометр либо высокоточный GPS навигатор  Программное обеспечение для фотограмметрической обработки изображений
Смартфон и ПО для дистанционного управления фотоаппаратом Тахеометр либо высокоточный GPS навигатор Программное обеспечение для фотограмметрической обработки изображений

Примеры

На желтых иконках показано, какое оборудование применялось для съемок того или иного объекта

На желтых иконках показано, какое оборудование применялось для съемок того или иного объекта

На желтых иконках показано, какое оборудование применялось для съемок того или иного объекта

На желтых иконках показано, какое оборудование применялось для съемок того или иного объекта

Этапы работ

Съемка объекта не занимает много времени и состоит из 3 этапов

1. Сфотографировать объект 2. Выполнить геопривязку контрольных точек 3. Загрузить данные в программу и обработать их
1. Сфотографировать
объект
2. Выполнить
геопривязку
контрольных точек
3. Загрузить данные
в программу
и обработать их

Сравнение фотограмметрического способа и способа лазерного сканирования на объекте

Перейдем к практике. Для сравнения двух способов получения трёхмерной модели – фотограмметрическийого метода и лазерного сканирования – была проведена съёмка одного и того же объекта обоими этими методами. В качестве объекта съёмки был выбран действующий карьер, находящийся в Рузском районе Московской области. 

В качестве объекта съёмки был выбран действующий карьер, находящийся в Рузском районе

Лазерную съемку заказчик выполнял самостоятельно. Для получения трёхмерной модели фотограмметрическим способом были сделаны фотографии с воздуха с помощью небольшого летательного аппарата – квадрокопетера Phantom2.

Квадрокоптер поднимался на высоту приблизительно 80 метров, длительность полёта составляла около 15 минут.

Для выполнения геопривязки на объекте были размещены 8 меток. Метки - белые перекрестья из пластика, равномерно распределенные по объекту. Метки были закоординированы при помощи GPS. Установка и координирование меток заняла около 35 минут.

Ниже показаны фотографии, полученные с квадрокоптера. 

Фотографии, полученные с квадрокоптера

Фотографии, полученные с квадрокоптера

Фотографии, полученные с квадрокоптера

Фотографии, полученные с квадрокоптера

На этом этап полевых работ был закончен. Обработку изображений выполняли в офисе. Процесс обработки состоял из следующих этапов: загрузка фотографий, привязка фотографий по закоординированным меткам, выделение интересующих областей, выгрузка (экспорт) полученной трёхмерной модели. 

Скриншот загрузки меток геопривязки в программе Datugram 3D

Скриншот загрузки меток геопривязки в программе Datugram 3D. 

Сравнение результатов

Облако меток, полученное по результатам лазерной съемки. Облако меток загружено в программу AutoCAD.

Облако меток, полученное по результатам лазерной съемки. Облако меток загружено в программу AutoCAD. 

Трехмерная модель, полученная способом лазерного сканирования

Также в программу AutoCAD были загружены точки, полученные после фотограмметрической обработки в программе Datugram 3D. 

Облака меток (или 3D модели, или сетки) были наложены друг на друга и выполнено сравнение.

Облака меток (или 3D модели, или сетки) были наложены друг на друга и выполнено сравнение. 

Результат: разница объемов измеренных участков карьера составила 5%. Заказчик счел такой результат удовлетоворирельным и в дальнейшем планирует использовать фотограмметрическую съемку.

На следующих картинках показаны примеры съемок различных объектов фотограмметрическим способом. Сравнения с лазерным методом на этих изображениях нет.


Пример. Построение 3D модели защитного конуса

 Пример. Построение 3D модели защитного конуса

Оборудование

  • Фотокамера Samsung NX300 (21,6Мп).

Цели

  • Съемка сооржения. 
  • Мониторинг объекта.

Трудозатраты

  • Полевые работы: 1,5 часа.
  • Камеральная обработка в офисе: 1 час.
  • Использовалось: 49 фотографиий, 15 опорных точек.

Этапы обработки фотографий

Загружаем фотографии

Загружаем фотографии, связываем их в кластеры (автоматически либо вручную). 

Отмечаем опорные точки, выполняем геопривязку изображений

Отмечаем опорные точки, выполняем геопривязку изображений.

Выделяем области для автоматического построения рельефа

Выделяем области для автоматического построения рельефа.

Модель местности, построенная по результатам фотограмметрической обработки изображений

Модель местности, построенная по результатам фотограмметрической обработки изображений.


Пример. Подсчет объемов щебня

Пример. Подсчет объемов щебня

Оборудование

  • Фотокамера Sony A6000 (24Мп).
  • Тахеометр.
  • Гексакоптер.

Цель

  • Проведение фотограмметрической съёмки для получения объема. 

Трудозатраты

  • Полевые работы: 1,5 часа.
  • Камеральная обработка в офисе: 1 час.
  • Использовалось: 33 фотографии, 10 опорных точек.

Некоторые этапы обработки фотографий

Отмечаем опорные точки, выполняем геопривязку изображений

Отмечаем опорные точки, выполняем геопривязку изображений.

Выделяем области для автоматического построения рельефа

Выделяем области для автоматического построения рельефа.

Модель местности, построенная по результатам фотограмметрической обработки изображений

Модель местности, построенная по результатам фотограмметрической обработки изображений.


Пример. Съемка в карьере

Пример 2. Съемка в карьере

Оборудование

  • Фотокамера Sony A6000 (24Мп).
  • Тахеометр.
  • Гексакоптер.

Цели

  • Проведение фотограмметрической съёмки для получения объема. 
  • Контроль изменений на объекте.

Трудозатраты

  • Полевые работы: 1,5 часа.
  • Камеральная обработка в офисе: 1 час.
  • Использовалось: 40 фотографиий, 9 опорных точек.

Некоторые этапы обработки фотографий 

Чтобы не повторяться, здесь показаны только два экрана - выделение характерных точек рельефа и результат - модель объекта. 

Выделение характерных точек рельефа

Выделение характерных точек рельефа.

Трёхмерная модель объекта, построенная по результатам обработки изображений

Трёхмерная модель объекта, построенная по результатам обработки изображений.

 


Пример. Проект в сфере кадастровых работ

 Пример. Проект в сфере кадастровых работ

Оборудование

  • Тахеометр
  • Гексакоптер 
  • Фотокамера 
  • Цель

  • Выявление факта незаконной застройки для дальнейшего обращения в суд.
  • Трудозатраты

  • Полевые работы: 1,5 часа.
  • Камеральная обработка в офисе: 2 часа.
  • Некоторые этапы обработки фотографий

    Привязка по опорным точкам

    Привязка по опорным точкам. 

    Поиск новых точек и отрисовка в программе

    Поиск новых точек и отрисовка в программе.

    Результат, полученный с помощью Datugram 3D

    Результат, полученный с помощью Datugram 3D.


    Преимущества и недостатки фотограмметрии

    Преимущества

    • Не нужно закупать дорогостоящее оборудование.
    • Не требуется специального образования.
    • Возможность дистанционных измерений в условиях, когда пребывание на объекте небезопасно для человека.
    • Большая производительность (т.к. измеряются не сами объекты, а их изображения).
    • Сокращение времени полевых работ на 50%.
    • Вторичный и дальнейший мониторинг объектов можно выполнять только с помощью фотографий, без использования тахеометра.

    Недостатки

    • Ручная маркировка опорных меток.
    • Ручное выделение областей построения модели.
    • Меньшая точность по сравнению с лазерным сканированием.
    • Невозможно вести съемку с быстро движущегося объекта (поезда).

    Преимущества и недостатки лазерной съемки

    Преимущества

    • Высокая точность.
    • Некоторые модели сканеров позволяют получить цветную 3D модель.

    Недостатки

    • Требуется более дорогое оборудование
    • Необходимо специальное образование
    • Более длительное время съемки и обработки изображений
    • Избыточность данных, необходимость их прорживания

    Выводы

    • Универсального идеального быстрого и недорогого метода для получения 3D модели нет.
    • Фотограмметрический метод может быть хорошей альтернативой лазерному сканированию на локальных участках с требованиями точности масштабов 1:500, 1:1000 и 1:2000.
    • Также фотограмметрический метод удобнее применять, когда необходимо быстро выполнить топографическую съемку.
    • При фотографическом методе отсутствует избыточность измерений, данные нет необходимости прореживать, как при лазерной съемке.
    • Затраты на приобретение оборудования, а следовательно, стоимость работ, ниже по сравнению с лазерной съемкой.