Совместная обработка материалов аэрокосмических и наземных съемок для создания 3D моделей местности

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

В настоящее время для представления пространственных объектов местности широко используются 3D-модели, позволяющие наблюдать псевдопространственное изображение на экране компьютера. 3D модель местности обладает гораздо большими возможностями, чем ее двухмерный аналог. Наглядно-образный тип мышления играет важную роль в механизмах восприятия окружающего мира и формировании представлений о нем. Поэтому трехмерные компьютерные модели представляют большой интерес для пользователей, и такое представление информации лучше, чем двухмерные или 2,5-мерные модели.

В работе М. М. Лазерко рассмотрено разработка методик совместной обработки материалов космической съемки высокого и сверхвысокого разрешения, аэросъемок и цифровых наземных съемок, а также технологических схем построения реалистичных 3D моделей [1].

Благодаря современным технологиям аэрофотосъемки, особенно использованию беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), создание детальных 3D-моделей местности теперь является ключевым инструментом. Эти модели основаны на данных цифровой модели рельефа (ЦМР) и цифровой модели местности (ЦММ), полученных в результате аэрофотосъемки. Такой подход открывает новые перспективы для эффективного управления городскими ресурсами и стратегического планирования развития инфраструктуры, 3D моделирование широко используется в строительстве, технических сооружений (например, трубопроводов), в лесном и сельском хозяйстве и т. д.. В данной статье рассматривается процесс создания трехмерных моделей и анализируются преимущества, которые предоставляют такие 3D- модели. Несмотря на технический прогресс, эффективная обработка информации и переход к автоматизированным методам является проблемой, особенно при обработке больших объемов данных аэрофотосъемки с высокой точностью и эффективностью. Разработка эффективных методов сокращения времени и людских ресурсов для проведения исследований и интеграции результатов в системы управления является настоятельной необходимостью. Для создания с автоматизированным методам трехмерной модели местности использована программа Agisoft Metashape и геоинформационная система ArcGIS. Программное обеспечение Agisoft Metashape — это современная технология создания высококачественных трехмерных моделей на основе цифровых изображений аэрофотоснимков и наземных изображений [2].

ArcGIS — это полнофункциональная система, позволяющая собирать, организовывать, управлять, анализировать, обмениваться и распространять географическую информацию, где специализированными приложениями для трехмерного отображения данных ArcSсene и ArcGlobe [3].

Автоматизированные методы обработки в среде имеют решающее значение для сокращения временных затрат и повышения точности. Оптимизация временных и человеческих ресурсов имеет важное значение, поскольку традиционные методы требуют значительного вмешательства человека и времени. Автоматизированные методы, такие как ПО Agisoft Metashape, модули 3D Analyst и Spatial Analysts в ArgGIS способные выполнять операции, снижают необходимость вмешательства человека и ускоряют создание 3D-моделей.

Материалы и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались: картографический метод исследования, теория картографии, методы и теория моделирования рельефа, современное программное и аппаратное обеспечение, геоинформационное картографирование [1–3].

Наиболее эффективным методом получения информации для создания 3D-моделей являются данные, полученные в результате аэрофотосъемки, космической и наземной съемки, поскольку из этих данных можно извлечь как метрическую, так и текстурную информацию, необходимую для создания реалистичной модели. Исходными данными для создания 3D-моделей местности являются спутниковые снимки сверхвысокого пространственного разрешения Google Earth и наземные съемки с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) DJI Matrice 300bRTK, предоставленных с командами МЧС КР, на участке Чакмак в Алайском районе Кыргызской Республике в 2023 году.

Проект Google Earth, пользующийся большой популярностью среди профессионалов и обычных пользователей Интернета, представляет собой пространственную модель Земли, созданную на основе спутниковых снимков высокого разрешения. DJI Matrice 300 RTK — это высокопроизводительный дрон с улучшенной системой передачи сигнала, с возможностью устанавливать разные виды полезной нагрузки одновременно. 3D-модели местности обусловлен их активным использованием в навигационных устройствах и геоинформационных системах. Кроме того, они используются для пространственного анализа в городском планировании и управлении развитием территорий, при проведении проектных работ в строительстве и на транспорте, расчете сетей телекоммуникаций и во многих других сферах.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе исследования было получено 106 снимков с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА), который предоставляет качественные пространственных данных с разрешением до 5 см/px, что в несколько раз превышает возможности спутниковых снимков. В полете аппаратура управления летательным аппаратом фиксировал различные параметры, среди которых — координаты событий фотографирования, полученные GNSS-приемником на борту БПЛА и элементы внешнего и внутреннего ориентирования аэрофотоснимков (Рисунок 1).

Рисунок 1. Положение центров фотографирования и перекрытие снимков

Далее в процессе преобразования снимков в ортофотопланы для всех отображаемых на них объектов вычисляются координаты. При помощи программы Metashape в два этапа построена текстурированная 3D модель объекта:

• 1.    Первый этап называется выравниванием и представляет собой блочную фототриангуляцию методом независимой связки. На этом этапе Metashape находит общие

• 2.    На втором этапе Metashape создает поверхность: полигональную 3D-модель. Полигональную модель можно текстурировать, чтобы обеспечить фотореалистичное представление объекта, а затем экспортировать в различные форматы, совместимые с приложениями САПР и средами 3D-моделирования.

точки на изображениях и использует их для определения всех параметров камеры: положения, ориентации, внутренней геометрии (фокусное расстояние, параметры дисторсии и т. д.). Результатом являются редкие облака точек в пространстве 3D-модели, а также данные о положении и ориентации камеры.

Все операции выполняются автоматически, в соответствии с заданными пользователем параметрами. Постобработка позволяет удалять тени и искажения текстур с поверхности моделей, рассчитывать индексы растительности, создавать файлы рецептов для сельскохозяйственных операций, автоматически классифицировать плотные облака точек и многое другое. Построение трехмерной модели может занять продолжительное время. Metashape позволяет сохранить результаты каждой стадии в файл-проект, в результате получается ортофотоплан местности.

Рисунок 2. ЦММ полученное с Agisoft Metashape

Рисунок 3. Рассчитанная цифровая модель местности

С помощью беспилотников можно получать точные фото- и видеоматериалы, которые после обработки в специальном программном обеспечении позволяют создавать цифровые и электронные карты и топографические планы местности, а также создавать подробные 3D-модели местности и объектов. Для доработки проектов понадобится программа с ручным моделированием. Для этих целей отлично подойдет программа ArgGIS, позволяющая не только создавать объекты вручную, но и выгружать их как из встроенной, так и из онлайн-библиотеки. Далее рассчитан уклон исследуемой территории с помощью инструмента Slope в Raster Surface программы Arctoolbox ArcGIS. С помощью инструмента Aspect можно построить экспозиция, кривизна поверхности, выполнена теневая отмывка рельефа. Средствами ArcGIS из растра высот извлечены горизонтали с сечением 100 м.

Этот метод требует много времени и человеческих ресурсов, особенно при работе на больших площадях. Решение этих проблем включает исследование и внедрение автоматизированных методов обработки данных, что станет ключевым аспектом оптимизации и ускорения процесса создания 3D-моделей местности в будущем.

Рисунок 4. Рассчитан уклон исследуемой территории

Вывод

В результате работы выполнен анализ современных методов и технологий сбора и обработки различных типов данных для построения 3D моделей; рассмотрены возможности использования для этих целей космических снимков, аэрофотоснимков и наземной съемки. Основным недостатком технологии построения является необходимость применения несколько разных комплексов программ. Поэтому в настоящее время назрела необходимость в разработке единого фотограмметрического программного пакета, который позволял бы выполнить все процессы построения 3D моделей по материалам космической съемки высокого и сверхвысокого разрешения, аэросъемок и цифровых наземных съемок. Однако важно отметить ограничения предлагаемых решений, такие как зависимость от входного качества и необходимость тщательной настройки параметров автоматизированных методов. Были выполнены следующие экспериментальные работы: построение реалистичной 3D модели местности по аэрофотоснимкам; построение реалистичной 3D модели наземным снимкам. Исходя из результата построения моделей, в программе Agisoft Metashep показывает значительно лучше качество построения 3D моделей.