Создание трехмерных моделей объектов памятников исторического и культурного наследия с использованием беспилотных летательных аппаратов самолетного и мультироторного типов.

Аннотация

Курков В.М., Перес Вальдез Мануэль де Хесус, Бляхарский Д.П. Создание трехмерных моделей объектов памятников исторического и культурного наследия с использованием беспилотных летательных аппаратов самолетного и мультироторного типов. Каждый из объектов исторического и культурного наследия уникален по своему облику, расположению, сложности архитектурного воплощения, поэтому разработка некоторой уникальной технологии его воплощения в виде трехмерной модели весьма проблематична. Рассмотрены различные технологии выполнения аэрофотосъемки с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и фотограмметрической обработки с целью оценки их эффективности при создании обмерных чертежей и трехмерных моделей для объектов исторического и культурного наследия в Мексике и в России. На основании использования нескольких фотограмметрических технологий получения метрических 3D-моделей памятников истории и архитектуры, в качестве оптимального была выбрана комбинация планово-перспективной аэрофотосъемки с использованием различных беспилотных аэрофотосъемочных комплексов и наземной стереосъемки. Преимущество предлагаемых технологий заключается в их оперативности и рентабельности. Весь цикл от выполнения съемки до получения конечных результатов занимает несколько часов в течение одного дня. Предложен способ создания реалистических измерительных 3D-моделей путем использования различных технологий при решении архитектурных задач.

На сегодняшний день существуют различные методы сбора пространственной информации о местности, такие как тахеометрическая съемка, наземное, мобильное и воздушное лазерное сканирование (ВЛС), и другие виды съемок. Эти методы обеспечивают высокую достоверность и точность создания обмерных чертежей и трехмерных моделей снимаемых объектов, но являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими [1].

Для получения метрической информации, особенно при съемке больших по площади и составу памятников исторических комплексов с высокой точностью и оперативностью, эффективными методами являются аэрофотосъемка с использованием аэросъемочных комплексов на базе пилотируемых малой авиации легкомоторные самолеты и легкие вертолеты, обеспечивающие съемку с невысокой скоростью полета.

В последнее время появляются различные средства (БПЛА) [2], которые могут решать задачи создания трехмерных моделей памятников истории и архитектуры. Фотосъемка с БПЛА существенно отличается от обычной аэрофотосъемки тем, что при полете БПЛА съемка осуществляется в автоматизированном режиме и непрерывно, имеет сложную конфигурацию, большие углы наклона камеры во время аэрофотосъемки, перепад высот фотографирования приводит к разномасштабности снимков. На борту беспилотных аэрофотосъемочных комплексов Геоскана, как правило, устанавливается приемник ГНСС геодезического класса, что позволяет определять высокоточные координаты центров фотографирования во время полета и сократить работы по полевой планово-высотной подготовке.

Результатом аэрофотосъемки являются аэрофотоснимки изображений местности в формате JPEG размером 4912?3264, 6000?4000 пикселей (цифровых фотокамер), 2704?1520 пикселей (видеокамера), и текстовые файлы с навигационными параметрами, полученными бортовым GPS-приемником в момент фотографирования, кроме аэрофотосъемки БПЛА DJI Phantom 2.

После проведения аэросъемки выполняется фотограмметрическая обработка данных в системе Agisoft PhotoScan (Санкт-Петербург) в автоматическом режиме [3]. Программа позволяет выполнить весь комплекс фотограмметрической обработки (фототриангуляцию, привязку к системе координат объекта по центрам проекции и опорным точкам, построение плотного облака точек) и затем построить ортофотоплан объекта и его текстурированную 3D-модель.

Для оценки реальной эффективности и работоспособности предложенной технологии были проведены экспериментальные исследования, которые заключались в создании трехмерной модели форта Мирадор, построенного в XVII в. и расположенного в мексиканском городе Эль-Фуэрте и храма Святителя Николая Чудотворца в поселке Маяк Заокского района Тульской области Российской Федерации.

В качестве альтернативы воздушной аэрофотосъемке с легкомоторных самолетов и вертолетов, предлагаем использовать комплексы БПЛА самолетного и мультироторного типа, с целью получения аэрофотоснимков на разных объектах для создания трехмерных моделей. В нашем исследовании использовался аэрофотосъемочный комплекс Геоскан 101, Геоскан 401 коптер русской компании Геоскан и Квадрокоптер DJI Phantom 2 от китайской компании DJI Innovations.

В марте 2015 г. с аэрофотосъемочной системы самолетного типа Геоскан 101 была проведена аэрофотосъемка форта Мирадор, сооруженного в XVI в. в городе Эль-Фуэрте (штат Синалоа, Мексика), и являющимся памятником истории и архитектуры. Аэросъемка была произведена на двух направлениях север–юг и восток–запад (рис. 1).

Рис. 1. Схема аэрофотосъемки форта Мирадор, БПЛА самолетного типа Геоскан 101

Для выполнения аэрофотосъемочных работ использовалась цифровая фотокамера Sony DSC-RX1(24 Мп) c форматом ПЗС-матрицы 6000?4000 пикселей. Основные технические характеристики БПЛА и параметры аэрофотосъемки приведены в табл. 1.

Таблица 1

По результатам плановой воздушной съемки была получена трехмерная модель форта Мирадор с использованием БПЛА самолетного типа Геоскан 101 (рис. 2).

Рис. 2. Трехмерная модель форта Мирадор, полученная по результатам плановой воздушной съемки с использованием БПЛА Геоскан 101

Эксперимент показал, что только по результатам аэрофотосъемки достичь высокой детальности и избежать наличия мертвых зон не представляется возможным. Очевидно, здесь требуется добавить снимки наземной съемки.

Другой эксперимент выполнен с использованием беспилотных аэрофотосъемочных комплексов различного типа над территорией храма Святителя Николая Чудотворца в поселке Маяк Заокского района Тульской области для трехмерного моделирования. В этом проекте были выполнены три вида съемки, одна съемка с БПЛА Геоскан 101, вторая была выполнена с БПЛА коптером Геоскан 401 и была сделана съемка с Земли.

Первая съёмка представляла собой плановую аэрофотосъемку с использованием аэрофотосъемочной системы самолетного типа Геоскан 101. По плановым аэрофотоснимкам можно создавать модели и чертежи крыш и расположенных на них объектов, коптер позволяет делать облет вокруг объекта получать достаточно много снимков, которые закрывают мертвые зоны.

На БПЛА Геоскан 101 была размещена цифровая фотокамера Nex-5T со следующими характеристиками: формат ПЗС-матрицы 4912?3264 пикселей и размером пикселя 5??мкм, фокусное расстояние объектива — 20 мм.

На Геоскан 401 коптер была размещена цифровая фотокамера с центрального затвора Sony DSC-RX1R (24 Мп), с форматом матрицы 6000?4000 пикселей и размером пикселя 6 мкм, фокусное расстояние объектива 35 мм, пространственное разрешение на местности составило до 1 см/пиксель (рис. 3). В табл. 2 приведены технические характеристики БПЛА и параметры аэрофотосъемки.

Таблица 2

Рис. 3. Схема воздушной аэрофотосъемки храма Святителя Николая Чудотворца, с использованием БПЛА Геоскан 101 и Геоскан 401

После проведения аэросъемки была произведена фотограмметрическая обработка полученной информации в фотограмметрической системе Agisoft\PhotoScan (Санкт-Петербург) в автоматическом режиме.

По материалам планово-перспективной аэрофотосъемки возможно появление мертвых зон участков объектов, не изобразившихся на аэрофотоснимках из-за затенения их другими объектами (рис. 4). На фрагменте трехмерной модели фасада церкви (рис. 5) заметно, что самолетная и коптерная воздушная съемки имеют мертвые зоны в нижней части храма, которые не покрывают снимки. Очевидно этот недостаток можно устранить, добавив к общей модели результаты наземной съемки. Результат улучшения качества полученной модели видно из рис. 6.

Рис. 4. Трехмерная модель церкви, полученная по материалам планово-перспективной аэрофотосъемки

Фрагмент трехмерной модели фасада церкви с «мертвыми» зонами

Рис. 6. Результат улучшения качества модели фасада церкви

На рис. 7 представлена трехмерная модель храма Святителя Николая Чудотворца, которая была получена путем комбинации трех видов съемки.

Следующий эксперимент по созданию трехмерной модели той же церкви был построен только на использовании аэрофотосъемки на БПЛА типа коптер китайского производства — DJI Phantom 2, где размещена цифровая видеокамера GoPro HERO4 с форматом матрицы 2704?1520 пикселей и размером пикселя 1,55??мкм, фокусное расстояние объектива 3??мм, пространственное разрешение на местности составило 3 см/пиксель. При видеосъемке был получен 231 снимок (рис. 8).

Рис. 7. Трехмерная модель храма Святителя Николая Чудотворца, полученная по результатам самолетной и коптерной аэрофотосъемки совместно с наземной стереосъемкой

Рис. 8. Схема воздушной видеосъемки БПЛА DJI Phantom 2

Параметры аэрофотосъемки и оценка точности уравнивания сети фототриангуляции в системе PhotoScan приведены в табл. 3

Таблица 3

На рис. 9 представлена создаваемая трехмерная модель церкви Святителя Николая Чудотворца по материалам видеосъёмки на фотограмметрической системе PhotoScan. Как показано на рис. 8 устройства с видеокамерой GoPro HERO4 позволяют создавать трехмерные модели, хотя изобразительное качество значительно ниже, чем у предыдущего эксперимента, хуже детальность, проработанность архитектурных элементов. Для решения задач архитектуры такого рода съемку не следует рекомендовать. Такого рода аппаратура найдет свое применение для выполнения проектирования, изыскательских работ на локальных объектах, мониторинге объектов строительства, где не требуется очень детальное изображение.

Рис. 9. Трехмерная модель церкви Святителя Николая Чудотворца по материалам видеосъёмки

Очередной эксперимент был выполнен в Мексике для построения трехмерных моделей малых архитектурных форм с использованием только наземной съемки. В ходе экспериментов была выполнена фотосъемка памятника-бюста в Автономном университете Синалоа УАС для создания трехмерной модели с помощью цифровой фотокамеры Panasonic DMC-FS45 с форматом матрицы 4608 x 3456 пикселей и фокусным расстоянием объектива 4мм, было получено 162 снимка (рис. 10).

Рис. 10. Схема фотосъемки (а) и трехмерная модель (б) памятника-бюста УАС, обработанная на фотограмметрической системе PhotoScan

Заключение. Исходя из уникальности каждого объекта культурного и исторического наследия, разработка универсальной технологии построения его трехмерной модели практически невозможна. Поэтому целью наших экспериментов являлось создание некоторого комплексного подхода для решения этой задачи с использованием различных способов выполнения аэрофотосъемки с использованием БПЛА как самолетного, так и мультироторного типа, с дополнением, если необходимо, наземной фотосъемки. Выполненные эксперименты в России и в Мексике с помощью БПЛА Геоскан 101, Геоскан 401 показали эффективность такого подхода. Даны конкретные рекомендации по организации процесса аэрофотосъемки, созданию планово-высотного обоснования и обработке полученных снимков с учетом новых возможностей ЦФС Фотоскан (создание плотных облаков точек и получения по ним реалистичных текстурированных трехмерных моделей), которые при этом обладают необходимыми геометрическими свойствами, удовлетворяющих решение задач архитектуры. К недостатку предложенной методики следует отнести то, что полученные трехмерные модели, имея в основе векторный каркас построения в виде треугольников, не совпадают с привычными для архитекторов векторными моделями, построенными по конструктивным граням объекта. Эту работу, если будет необходимость, придется выполнять в специализированных программных пакетах, например, Microstation, 3dMAX или др.

Список использованной литературы

1. Михайлов А.П., Перес Вальдез Мануэль де Хесус. Создание цифровых моделей памятников истории и архитектуры по материалам перспективной и плановой аэрофотосъемки // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2013. –№.5. – С. 72–73.
2. Курков В.М., Смирнов А.В., Иноземцев Д.П. Опыт использования БПЛА при проведении практики студентов на Заокском геополигоне МИИГАиК // Геопрофи. – 2014. – №4. – С. 55–61.
3. Иноземцев Д.П. Беспилотные летательные аппараты: Теория и практика // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. – 2013. – № 2(49), 3(50).
4. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. — М.: ЦНИИГАиК, 2002.
5. Золотова Е.В. Современные методы архитектурных обмеров объектов недвижимости. – М.: Архитектура, 2009. – 112 с.