Фотограмметрическая съемка архитектурных сооружений с использованием данных трехмерного лазерного сканирования

М.Г. Синькова, Геодезия и картография, № 9, 2002, стр. 29-33

Вернуться в библиотеку

     В настоящее время имеется опыт использования трехмерного лазерного сканирования для обмеров архитектурных сооружений. Однако дискретный характер информации об объекте, получаемой трехмерным лазерным сканером, не позволяет иметь полные достоверные данные об объекте съемки, что, в свою очередь, ограничивает возможности его применении при архитектурных съемках. В частности, при лазерном сканировании не могут быть сняты с необходимой подробностью мелкие архитектурные детали.
     При съемке архитектурных объектов по классическим фотограмметрическим технологиям таких проблем не возникает. Однако во многих случаях стереофотограмметрическая съемка объектов затруднительна, а иногда и невозможна из-за проблем, возникающих при выборе станции фотографирования, например, на застроенной территории. Комплексное использование фотограмметрической и трехмерной лазерной съемок объектов позволяет выполнить их даже в таких условиях.
Если метод трехмерного лазерного сканирования обеспечивает необходимую подробность и точность построения цифровой модели рельефа поверхности архитектурного сооружения, может быть использована следующая технология съемки архитектурного объекта.
     С помощью трехмерного лазерного сканирования проводится съемка объекта с целью построения цифровой модели рельефа его поверхности. По результатам лазерного сканирования сначала строится цифровая модель рельефа объекта в виде триангуляции Делоне, а по ней — регулярная цифровая модель рельефа в виде сетки квадратов. С помощью фото- или цифровых съемочных фотограмметрических систем объект фотографируется таким образом, чтобы он полностью отобразился на полученных снимках.
     Для внешнего ориентирования модели объекта, полученной методом трехмерного лазерного сканирования, и внешнего ориентирования снимков объекта, полученных с помощью фотограмметрических камер, определяют координаты опорных геодезических точек в системе координат объекта геодезическим методом, например с помощью электронных тахеометров. По снимкам объекта, полученным фотограмметрическими съемочными камерами, создают цифровые ортофотопланы архитектурного объекта.
Исходными материалами для цифрового трансформирования снимков являются:
     цифровые изображения объекта, полученные путем преобразования исходных фотоснимков в цифровую форму на фотограмметрических сканерах или непосредственно цифровыми фотограмметрическими съемочными системами;
     материалы планово-высотной подготовки снимков объекта, включающие каталог координат опознаков и оригиналы снимков с наколотыми на них изображениями точек и их описаниями;
     цифровая модель рельефа поверхности объекта в виде регулярной сетки.
     Процесс цифрового ортофототрансформирования включает:
     внутреннее ориентирование цифровых изображений объекта;
     определение элементов внешнего ориентирования снимков объекта по опорным точкам;
     создание цифровых ортофотоснимков объекта.
     По ортофотоплану и цифровой модели рельефа поверхности объекта создаются трехмерные векторные цифровые модели объекта, например, в модуле Vector цифровой фотограмметрической системы Photomod следующим образом. При наведении измерительной марки на точку цифрового ортофотоплана определяются координаты точки объекта X, Y в системе его координат, затем с использованием их по цифровой модели — координата Z.
Таким образом, измеряя ортофотоплан можно получить цифровую модель объекта в виде точек, полилиний, полигонов или других графических примитивов.
     Если модель объекта, полученная в результате трехмерного лазерного сканирования, из-за ее дискретного характера не в полной мере отображает перегибы рельефа поверхности, проводят стереофотограмметрическую съемку объекта только с целью стереоскопического наблюдения для коррекции цифровой модели рельефа поверхности объекта, полученной в результате трехмерного лазерного сканирования. Для этого достаточно выполнить стереофотограмметрическую съемку с базиса фотографирования небольшой длины.
     После определения элементов внутреннего и внешнего ориентирования стереопары снимков объекта на цифровой стерсофотограмметрической системе проводят совместное наблюдение в стереоскопическом режиме фотограмметрической модели объекта и визуализированной цифровой модели рельефа объекта, построенных по стереопаре снимков, и визуализацию ЦМР объекта, построенной по результатам трехмерного лазерного сканирования. По этим моделям строят структурные линии рельефа поверхности объекта. С этой целью выявляют точки ЦМР, совпадающие с линией перегиба рельефа. Определив ее высоту по ЦМР, устанавливают марку цифровой фотограмметрической системы на эту величину, проводят векторизацию линий перегиба рельефа в виде полилиний или полигона. В большинстве случаев линии перегиба параллельны плоскости фасада архитектурного сооружения, и описанная выше методика проведения структурных линий наиболее эффективна для решения этой задачи. Если линия перегиба не параллельна плоскости фасада, необходимо выполнить ее векторизацию по точкам ЦМР, наиболее близко расположенным к этой линии и имеющим с ней одинаковую координату Z.
     После построения уточненной цифровой модели рельефа, проводится построение ортофотоплана, а затем и цифровой трехмерной векторной модели объекта.
     С целью экспериментальной проверки приложенной технологии проведена съемка трехэтажного здания в Москве, в Гороховском пер. камерой UMK 10/1318 с фокусным расстоянием f = 100 мм, форматом кадра 13 х 18 см и базисом фотографирования 16 м.
     Лазерное трехмерное сканирование объекта выполнено с использованием сканера RIEGL LMS-Z210, предоставленным НПП «Геокосмоc», с точки, расположенной на расстоянии около 16 м от середины здания. Сканирование проводилось с максимальным угловым разрешением, составляющим приблизительно 3,5'. Расстояния между смежными точками модели объекта составляли 1.6 см в середине здания до 3,6 см на краю.
     Перед съемкой трехмерным лазерным сканером на здании, и столбах ограждения мостовой, расположенных на противоположной стороне улицы, установлены шесть марок из светоотражательной пленки. Они служили опорными точками для внешнего ориентирования трехмерной модели объекта, полученной в результате лазерного сканирования (рис. 1).

Рисунок 1 – Расположение опорных точек для внешнего ориентирования модели объекта

     Координаты марок были определены безотражательным тахеометром Trimble TTS300. Одновременно были определены координаты шести контурных точек объекта, которые служили для внешнего ориентирования модели объекта, построенной по стереопаре снимков.
     По результатам лазерного сканирования проведены внешнее ориентирование «облака» точек (рис. 2) и построение ЦМР в виде триангуляции Делоне. При построении ЦМР точки «облака», не принадлежащие объекту, в частности точки, относящиеся к линии электропередачи, были исключены.

Рисунок 2 – Фрагмент «облака» точек, полученного в результате сканирования

     Фотограмметрическая обработка стереопары снимков проводилась на цифровой фотограмметрической системе Photomod версии 3.11 российской фирмы «Ракурс». Оригинальные негативы снимков предварительно преобразованы в цифровую форму на фотограмметрическом сканере «Дельта» с размером пикселя 16 мкм. Внутреннее ориентирование цифровых изображений стереопары снимков, построение и внешнее ориентирование фотограмметрической модели (табл. 1) проводились в программном модуле Photomod АТ системы Photomod. Затем «облако» точек, полученных в результате лазерного сканирования, импортировалось из формата DXF в модуль Photomod-DTM. По точкам объекта в виде триангуляции Делоне была построена цифровая модель рельефа. Далее TlN-модели преобразовывались в сетку квадратов со стороной 3 см. После в модуле Fast-Ortho было проведено формирование ортофотоплана объекта по левому снимку стереопары с разрешением 3 мм.

Таблица 1 – Внешнее ориентирование фотограмметрической модели

Отклонение	, м	, м	, м
Среднее	0,007	0.004	0,026
Максимальное	0,012	0,011	0,040

     Построенный цифровой ортофотоплан имеет значительные искажения изображений окон, а также участков здания, расположенных возле водосточных труб.
     Изучение цифровой модели рельефа поверхности здания, построенной по результатам трехмерного лазерного сканирования (рис. 3), показало, что при сканировании оконных проемов и оцинкованных водосточных труб результаты содержат ошибочные данные. При сканировании оконных проемов (рис.4) лазерный луч дальномера в ряде случаев дает двойное отражение от стекол, а иногда и от точек внутреннего помещения. При сканировании водосточных труб в некоторых случаях происходит зеркальное отражение лазерного луча, что приводит к срыву измерения и ошибочному построению цифровой модели. Ошибки результатов трехмерного лазерного сканирования устранялись в модуле Фотомод-DTM. В стереосконическом режиме были удалены ошибочные точки, проведены структурные линии рельефа поверхности объекта, а затем повторно строилась ЦМР с учетом структурных линий.

Рисунок 3 - Ортофотосничок, полученный по результатам трехмерного лазеркнго сканирования

Рисунок 4 - Окно до редактирования (а) и после редактирования (б) TIN-модели

     Выполненные экспериментальные работы позволили сделать следующие выводы.
Показана возможность съемки архитектурных объектов фотограмметрическим методом в комбинации с трехмерным лазерным сканированием.
     Вследствие ложных отражений от зеркальных поверхностей и двойных отражений от оконных стекол цифровая модель объекта, полученная в результате трехмерного лазерного сканирования, требует обязательного тщательного контроля и доработки.