Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Анализ литературных источников
- 4. Порядок выполнения исследования
- 4.1 Выполнение полевых работ и камеральной обработки измерений
- 4.2 Построение трехмерной модели объекта в Agisoft PhotoScan
- Выводы
- Список литературы
Введение
Выполнение крупномасштабных топографических съемок один из самых востребованных видов работ в геодезии. С появлением нового способа записи информации — фотографии, свое развитие начинает новая наука — фотограмметрия, которая прочно заняла свое место в области инженерно-геодезических изысканий. Фотограмметрические методы измерения объектов по снимкам сразу же привлекли внимание топографов. Это дало толчок к развитию аэрофотосъемки земной поверхности, методике обработки и построения ортофотопланов.
Фотограмметрия прошла долгий путь своего развития от аналоговой до аналитической, а в последствии, и к цифровой. Постоянное совершенствование камер привело к разработке новых методик обработки снимков. Сегодня стандартными фотограмметрическими продуктами являются: цифровой ортофотоплан, цифровая топографическая карта, цифровая модель рельефа, 3D-модели местности.
1. Актуальность темы
Длительное время основным способом получения фотоматериала являлась аэрофотосъемка, выполняемая с самолетов. Сегодня, благодаря техническому прогрессу, развивается более дешевый и мобильный способ воздушного фотосканирования при помощи беспилотных летательных аппаратов с установленной на борту цифровой камерой, которые находят свое применение для решение задач геодезии, геологии, кадастра, мониторинга земель, архитектуры и т.д. Так же для решения локальных задач применяется и наземное фотосканирование.
За последние несколько лет аэрофотосъемка с БПЛА становиться все более востребованной. Этому способствует появление на рынке в широком доступе сверхлегких БПЛА самолетного и вертолетного типов (в особенности квадро- и гексокоптеров) не требующих для запуска специально оборудованных аэродромов. В специализированной геодезической литературе все чаще публикуют статьи посвященные опыту применения БПЛА, оценки точности получаемых ортофотопланов и цифровых моделей местности, новых технологий обработки снимков, а также определения позиций съемки во время полетов. Все это указывает на то, что данная методика фотосканирования прочно закрепило за собой место в области дистанционного зондирования.
Уже давно прошла эпоха громоздких фотограмметрических станций, их заменил персональный компьютер со специальным софтом. Существует целый ряд программных продуктов, которые позволяют выполнять обработку снимков практически в автоматическом режиме. К самым популярным на сегодняшний день относятся Pix4Dmapper, DroneDeploy, Autodesk ReCap 360, Photomod и Agisoft Photoscan.
В дальнейшем именно Agisoft Photoscan будет рассматриваться, как программа для фотограмметрической обработки цифровых фотоснимков. Основываясь на результатах полученных после обработки фотографий объекта, необходимо оценить, на сколько точна геометрия итоговой трехмерной модели объекта, и сравнить ее с контрольными измерениями, полученными при помощи традиционных геодезических методов.
2. Цель и задачи исследования
Цель исследования — оценка точности построения трёхмерных моделей.
Объект исследования — технология построение трехмерных моделей по цифровым фотоснимам.
Предмет исследования — трёхмерная модель, построенная в программе Agisoft PhotoScan.
В данном исследовании выделены следующие задачи:
- Выполнение полевых работ для получения цифрового фотоматериала объекта, а также контрольные измерения.
- Построение трехмерной модели объекта и оценка точности ее геометрии.
- Влияние координатной привязки точек фотографирования на точность итоговой трехмерной модели.
3. Анализ литературных источников
Перед началом работы над магистерской диссертацией были изучены статьи разных авторов, тем или иным образом касающиеся выбранного направления исследования. Поиск статей осуществлялся в специализированных геодезических журналах, таких как
В первую очередь начал изучения вопроса с
Далее были изучены руководство пользователя Photoscan и инструкции по обработке снимков под издательством Agisoft, а так же наглядных примеров эксплуатации программы на площадке YouTube. Затем был начат поиск докладов и статей, посвященных обработке фотоснимков и точности цифровых моделей в среде Photoscan. Над проблемой работали: Иноземцев. Д.П, Рыльский И.А., Гринько Е.В., Курков М.В., Солощенко Ф.В., Суздальцев Н.Р, Гормаш А.В., Оньков И.В., Курков В.М., Бляхарский Д.П., Флоринский И.В., Новаковский Б.А., Прасолова А.И., Пермяков Р.В. Для выполнения исследования необходимо выполнить ряд полевых и камеральных работ, а именно: Так как выполнить аэрофотосъёмку при помощи БПЛА не представляется возможным, в виду отсутствия последнего, а найти в свободном доступе всех необходимых данных для исследования не удалось, то было принято решение выполнить наземное фотосканирование здания, с измерением контрольных точек по фасаду. На оценку точности трехмерной модели данное решение существенно не повлияет. После выбора объекта фотографирования необходимо на фасаде здания разместить марки будущих контрольных точек. Затем выполнить тахеометрическую съемку безотражательным методом наводясь в центр марок. В результате получится каталог координат XYZ n-го количества точек. Эти результаты будут эталоном для сравнения с координатами полученными по трехмерной модели построенной в Agisoft PhotoScan. Для того чтобы будущая модель имела правильный масштаб, PhotoScan предоставляет возможность задания системы координат либо по координатам опорных точек, либо по координатам камер. Так как марки расположенные на поверхности фасада здания будут использованы не в качестве опорных, а для контроля точности модели, то необходимо определить координаты точек фотографирования. Определять координаты точек фотографирования будем при помощи высокоточных GPS-измерений в режиме RTK. RTK (Real Time Kinematic — Рисунок 1 — Cхема GPS-измерений в режиме RTK Перед тем как выполнить снимок необходимо установить GPS-приемник на будущую точку фотографирования, после определения координат прибором, и затем выполнить снимок. Таким образом каждой фотографии будут соответствовать пространственные координаты XYZ. Согласно руководству пользователя Agisoft PhotoScan выполнять фотосканирование необходимо перпендикулярно снимаемому объекту, и двигаясь параллельно ему (рис.2). Для получения качественной трехмерной модели необходимо использовать камеру с матрицей достаточно высокого разрешения (более 5 МПикс). Рисунок 2 — Сценарии съемки объекта При выполнении фотосканирования необходимо придерживаться следующих правил: Однако необходимо избегать бликов. Источники освещения рекомендуется располагать за пределами кадра. Старайтесь не использовать вспышку. С окончанием фотосканирования объекта завершаются полевые работы. Далее необходимо обработать результаты измерений тахеометрической съемки и GPS-измерений. В результате получиться два каталога координат, один для контрольных точек, второй для точек фотографирования. Далее необходимо сформировать их в .txt формате для дальнейшей загрузки в PhotoScan. Пример файла, содержащего опорные координаты приведен ниже. Рисунок 2.1 — Пример каталога координат Записи из файла координат соотносятся с соответствующими фотографиями или маркерами на основании значения поля label (название). Метки координат положений камер должны совпадать с именем файла соответствующего изображения, включая расширение. Далее можно переходить к построению трехмерной модели объекта. В первую очередь необходимо просмотреть все выполненные снимки объекта, с целью удаления плохих кадров, которые могут снизить качество будущей модели. Предпочтительно использование RAW данных, конвертированных без потерь в формат TIFF, так как сжатие изображение до формата JPG увеличивает количество нежелательных шумов. Далее загружаем все отобранные фотографии в программу. Следующим шагом добавляем в проект сформированный каталог координат камер, выбрав правильную систему координат. Затем указать точность определения координат камер. После этого можно осуществить выравнивание камер. Рисунок 3 — Пример результата выравнивания камер Все расчеты элементов ориентирования снимков программа выполняет автоматически. Следующий шаг — это построение плотного облака точек. Это этап обработки занимает какое-то время. Скорость обработки зависит от количества снимков и мощности ПК. После построения плотного облака необходимо удалить все лишние Далее строиться трехмерная модель по плотному облаку точек. И завершающий этап — построение текстуры. После этого трехмерная модель объекта считается завершенной. Рисунок 4 — Плотное облако точек Рисунок 5 — Пример трехмерной модели памятника По маркерам контрольных точек строим 3D-полилинию и экспортировать каталог координат вершин полилинии. Далее необходимо сравнить, на сколько отличаются координаты измеренные тахеометром непосредственно на фасаде здания, от координат, полученных по трехмерной модели в плане и по высоте. Основываясь на разности координат можно судить о точности трехмерной модели. Agisoft PhotoScan позволяет строить трехмерные модели и без координатной привязки, однако в этом случае не возможно выполнять измерения геометрии модели. Однако для построения масштабированной трехмерной модели необходимо минимум три точки с известными координатами. Выравнивание всех остальных камер PhotoScan выполнит автоматически. То есть, для построение трехмерной модели не обязательно знать точные координаты всех камер, а достаточно измерять только некоторую часть. Это обстоятельство значительно ускоряет выполнение полевых работ, так как нет необходимости определять координаты точки фотографирования каждого снимка. Тут возникает следующая задача: оценить, как точность трехмерной модели зависит от количества привязанных снимков. Допустим, есть 100 снимков фасада здания с координатами точек фотографирования. Суть исследования заключается в том, чтобы равномерно сокращая количество привязанных камен, не сокращая общего количества снимков, строить трехмерные модели объекта. Допусти первую модель построить по 100 привязанным снимкам, вторую по 50 снимкам, следующую по 25 снимкам, и т.д., и полученные модели сравнить между собой по объему. В результате можно будет судить, обязательно ли измерять координаты всех снимков, или для получения удовлетворительной точности модели достаточно определить только некоторую часть. Изучены материалы статей посвященных аэрофотосъемки с применением БПЛА с целью получения трехмерных моделей местности. Основываясь на полученных знаниях, программным продуктом для выполнения обработки снимков был выбран Agisoft PhotoScan, и изучен порядок роботы в нем, который кратко изложен в данной работе. В результате определены цели и задачи исследования, составлен план полевых и камеральных работ. После его выполнения можно будет оценить точность трехмерных моделей объекта построенных по цифровым снимкам в Agisoft PhotoScan. В результате можно будет сделать выводы о целесообразности использования PhotoScan в научных и производственных целях. При написании данного реферата исследование еще не выполнено, полевые работы назначены на начало 2019 г. Окончание работы над магистерской диссертацией: июнь 2019 г. Полный текст работы и материалы по теме можно будет получить у автора или руководителя после указанной даты. Геоматика
, Геопрофи
, Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка
, Геодезия и картография
, Міжвідомчий науково-технічний збірник
Геодезія, картографія і аерофотознімання
.Инструкцией по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов
под издательством ЦНИИГАиК. Следующим шагом был поиск статей посвященных аэрофотосъемке с беспилотных летательных аппаратов. Данной теме посвящены статьи таких авторов, как Митин М.Д., Никольский Д.Б., Бровко Е.А., Ефимов С.А., Маслянко В.Я., Семенов А.Е.,Чижов М.Н., Петров М.В., Блохинов Ю.Б., Курков В.М., Бляхарский Д.П., Флоринский И.В., Курков В.М., Перес Вальдез Мануэль де Хесус, Бляхарский Д.П. Волгушева Н.Э., Прокофьев Н.А., Бляхарский Д.П. Многие из этих авторов в качестве фотограмметрической станции для обработки снимков применяли программу Agisoft Photoscan.4. Порядок выполнения исследования
4.1 Выполнение полевых работ и камеральной обработки измерений
кинематика реального времени
) — совокупность приёмов и методов получения плановых координат и высот точек местности высокой точности с помощью спутниковой системы навигации посредством получения поправок с базовой станции, принимаемых аппаратурой пользователя во время съёмки. (рис.1)
слепых зон
должно быть сведено к минимуму, так как PhotoScan может реконструировать только те точки сцены, которые видны не мене чем на двух кадрах.
4.2 Построение трехмерной модели объекта в Agisoft PhotoScan
шумы
с будущей модели.
(анимация: 3 кадра, 5 циклов повторения, 146 килобайт)Выводы
Список литературы