Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследование фотограмметрических технологий обмеров архитектурных сооружений с использованием лазерных трёхмерных сканеров

ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование фотограмметрических технологий обмеров архитектурных сооружений с использованием лазерных трёхмерных сканеров"

на правах рукописи

Синькова Марина Германовна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБМЕРОВ АРХИТЕКТУРНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНЫХ ТРЁХМЕРНЫХ СКАНЕРОВ.

Специальность: 25.00.34 -«Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва • 2004

Работа выполнена на кафедре фотограмметрии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Михайлов Александр Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Погорелов Виталий Викторович

кандидат технических наук, доцент Бруевич Павел Николаевич

Ведущая организация:

Центральный ордена «Знак почёта» научно- исследовательский институт геодезии, аэросъёмки и картографии им. Ф.Н. Красовского (ЦНИИГАиК).

Защита диссертации состоится «_»_2004 г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д 212.143.01 в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, Москва К-64, Гороховский пер., 4, ауд. 321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Краснопевцев Б.В

ОБЩАЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка и внедрение в производство метода трехмерного лазерного сканирования открывает новые возможности совершенствования методов и технологий наземных фотограмметрических съемок, в частности, используемых при обмерах архитектурных сооружений. Дискретный характер информации об объекте, получаемой трехмерным лазерным сканером, не позволяет в ряде случаев получить полные достоверные данные об объекте съемки, что, ограничивает возможности использования трехмерного лазерного сканера. Например, при лазерном сканировании возникают сложности при съёмке таких деталей архитектурных сооружений как: лепные декоры, фризы, гербовые дополнения. Комбинированная с лазерной трехмерной съемкой фотограмметрическая съемка позволяет решить данные проблемы и выполнить обмеры архитектурных сооружений с высокой производительностью, детальностью и точностью.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование фотограмметрических технологий обмеров архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования:

— разработка методов создания цифровых ортофотопланов и цифровых моделей поверхности архитектурных объектов по материалам фотограмметрической и трёхмерной лазерной сканерной съёмки с целью получения в дальнейшем трёхмерных векторных обмерных чертежей;

— разработка методов наблюдения и измерения объектов по стереоскопическим моделям массивов («облаков») точек, полученных в результате трёхмерного лазерного сканирования.

Методы исследования. В работе использовались методы аналитической и цифровой фотограмметрии, а также методы аналитической геометрии, линейной алгебры и метод наименьших квадратов. Для проверки правильной реализации разработанных методов и технологий использовался экспериментальный метод исследований.

ЮС. НАЦИОНАЛЫ»** | БИБЛИОТЕКА С1 08

УЗД

IАЛЬМАМ I

ЕКА I

Ъш

Научная новизна.

1. Предложен метод и технологии создания ортофотопланов по фотоизображению (цифровому или аналоговому) и цифровой модели поверхности объекта, полученной в результате трёхмерного лазерного сканирования.

2. Предложен метод получения трёхмерных векторных моделей объектов по ортофотопланам, созданным по цифровым поверхностям объекта, построенным по материалам трёхмерного лазерного сканирования.

3. Разработан метод наблюдения, измерения и создания векторных обмерных чертежей по стереоскопическим изображениям «облаков точек», полученных по результатам трёхмерного лазерного сканирования.

Практическая ценность работы. Разработанные технологии получения цифровых ортофотопланов и векторных обмерных моделей по результатам фотограмметрической съёмки и данным трёхмерного лазерного сканирования, а также метод стереоскопического наблюдения и измерения «облака точек» могут быть реализованы на существующих цифровых фотограмметрических системах.

Внедрение результатов работы. В настоящее время разработанные технологии применяются в учебном процессе МИИГАиК.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 2-ой (2001), 3-ей (2002), 4-ой (2003) научно-практических конференциях «Современные проблемы фотограмметрии дистанционного зондирования», а также на второй международной конференции пользователей системы «Photomod», Санкт-Петербург (2002).

Структура и объём диссертации. Общий объём работы -108 страниц.

Диссертация содержит 37 рисунков, 20 таблиц, состоит из введения, трёх глав, заключения, приложения и списка использованной литературы из 38 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы и приведена общая характеристика диссертации.

В первой главе дан обзор и анализ современного состояния методов архитектурных съёмок.

Рассмотрен вопрос съёмки архитектурных сооружений методом трёхмерного лазерного сканирования.

Съемка методом трехмерного лазерного сканирования производится путем определения пространственных координат точек объекта методом полярной засечки с одновременной фиксацией оптических яркостей или цвета определяемых точек.

Принцип определения координат точек объекта этим методом представлен на рис. 1.

Рис.1

В методе лазерного сканирования координаты точки М объекта (ХсУс^) в системе координат трехмерного сканера Б (ХвУвЬ) определяются по значениям горизонтального ф и вертикального v углов визирного луча SM, фиксируемого с помощью горизонтальной и вертикальной угломерных систем трехмерного сканера и наклонной дальности до снимаемой точки определяемой с

помощью импульсного лазерного дальномера.

Вычисление значений координат точек объекта производят по формулам:

с визирным лучом SM в системе координат сканера.

Съемка объекта производится путем последовательного определения координат точек объекта, расположенных в сечениях объекта плоскостями сканирования, проходящими через ось Zc системы координат сканера. В каждой плоскости измерение точек производится путем циклического поворота вокруг горизонтальной визирной оси трехмерного сканера на угол А.

После завершения измерений точек происходит поворот сканерной системы вокруг горизонтальной оси на угол и производится измерение при новом положении плоскости сканирования рис.2.а и 2.6.

В результате измерений определяются координаты Хс, Ус, Тс дискретных точек объекта, для которых одновременно со съемкой определяется оптическая яркость или цвет объекта в этих точках. Совокупность измеренных точек называют "облаком" точек.

Координаты точек объекта получают в системе координат сканера в общем случае, произвольно расположенной и ориентированной относительно системы координат объекта OXYZ. Далее получают координаты

«облака точек» в системе координат объекта. Если съемка объекта трехмерным лазерным сканированием производится с нескольких точек стояния сканера, после внешнего ориентирования результатов каждого сканирования получают общее "облако" точек объекта в системе координат объекта. Данный массив точек имеет как достоинства, так и недостатки. Мы получаем информацию об объекте быстро, в режиме реального времени, также этот вид съёмки можно использовать в условиях плотной городской застройки, но эта информация не достаточно достоверна, поскольку имеет дискретный характер, что, в свою очередь, ограничивает возможности использования трёхмерного лазерного сканера при архитектурных съёмках. В частности, при лазерном сканировании не могут быть сняты с необходимой подробностью такие архитектурные детали, как лепные декоры и фризы, а также другие мелкие детали объекта съемки. Комплексное использование трёхмерного лазерного сканирования и фотограмметрической съёмки помогает получать достоверную информацию об архитектурных объектах.

Во второй главе приводится описание исследования цифровых изображений и методов их измерения, а также методов создания цифровых ортофотопланов и оценки их точности. Кроме того, даётся теоретическое обоснование разработанным технологиям фотограмметрической съёмки архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования, а именно:

методу создания ортофотопланов по фотоизображению (цифровому или аналоговому) и цифровой модели поверхности объекта, полученной в результате трёхмерного лазерного сканирования;

методу получения ортофотопланов по стереофотограм-метрической съёмке с базиса небольшой длины и по цифровым моделям объекта, полученным в результате трёхмерного лазерного сканирования и требующие редактирования и стереофотограмметрической досъёмки объекта.

При этом стереофотограмметрическая съёмка производится не с целью определения с необходимой точностью координат точек объекта, а только с целью стереоскопического наблюдения этого объекта, для проведения процесса коррекции цифровой модели рельефа поверхности объекта, полученной в результате трёхмерного лазерного сканирования. Для достижения этой цели достаточно произвести стереофотограмметрическую съёмку с базиса фотографирования небольшой длины.

Учитывая, что построение и внешнее ориентирование модели, построенной по такой стереопаре снимков методом двойной обратной фотограмметрической засечки, не может обеспечить достаточную точность определения элементов внешнего ориентирования снимков из-за большого продольного перекрытия снимков, их фотограмметрическую обработку необходимо производить по методу связок.

После определения элементов внутреннего и внешнего ориентирования стереопары снимков объекта, на цифровой стереофотограмметрической системе производят совместное наблюдение в стереоскопическом режиме фотограмметрической модели объекта, построенной по стереопаре снимков и визуализированной цифровой модели поверхности объекта, построенной по результатам трехмерного лазерного сканирования. По визуализированным в стереоскопическом режиме моделям, осуществляется построение структурных линий рельефа поверхности объекта, а затем повторное построение цифровой модели поверхности объекта с учетом структурных линий.

К

А

А

Проекция на плоскость

Разрез по линии АА

В результате наблюдения стереопары выявляют точки цифровой модели поверхности, совпадающие с линией перегиба поверхности объекта. Определив ее высоту по цифровой модели поверхности, устанавливают марку цифровой фотограмметрической системы на эту величину, производят векторизацию линий перегиба рельефа в виде полилиний или полигона. В большинстве случаев практики линии перегиба параллельны плоскости фасада архитектурного сооружения и описанная выше методика проведения структурных линий наиболее эффективна для решения этой задачи.

В случае если линия перегиба не параллельна плоскости фасада, необходимо продлить её векторизацию по точкам цифровой модели поверхности, наиболее близко расположенным к этой линии и имеющим с ней одинаковую координату Z.

После построения уточнённой цифровой модели поверхности, производится построение ортофотоплана, а затем и цифровой трёхмерной векторной модели объекта.

Во второй главе также даётся описание метода получения трёхмерных векторных моделей объекта по ортофотоплану. Такие модели могут быть созданы, например, в модуле «Vector» цифровой фотограмметрической системе «Photomod».

В этом модуле создание векторной цифровой модели объекта производится следующим образом. При наведении измерительной марки на точку цифрового ортофотоплана, по ортофотоплану определяются координаты точки объекта X,Y в системе координат объекта, а по координатам X,Y этой точки и по цифровой модели объекта определяется координата Z.

Таким образом, можно получить цифровую модель объекта в виде точек, полилиний и полигонов или других графических примитивов.

В этой же главе изложен разработанный метод стереоскопического наблюдения и измерения «облака точек», полученного в результате трёхмерной лазерной съёмки.

Ранее измерения производилось по «облаку точек», ортогональная проекция которого на произвольно ориентированную в пространстве плоскость,

визуализировалась на экране дисплея компьютера. Идентифицируя изображения точек «облака», производились измерения расстояний между точками, создавались векторные чертежи объекта и т.п. По точкам «облака» можно создать цифровую модель поверхности объекта в виде триангуляции Делоне, а также построить профили или сечения его поверхности. При съёмке инженерных объектов имеется возможность аппроксимации участков объектов плоскостью, цилиндром и другими плоскими или пространственными фигурами.

Однако при измерении объектов съёмки сложной формы по изложенной выше методике часто возникают сложности в интерпретации этих объектов по плоскому изображению «облака точек», Это обстоятельство снижает эффективность обработки результатов трёхмерной лазерной съёмки.

С целью устранения указанного недостатка предлагается производить наблюдения и измерения результатов трёхмерной лазерной съёмки по стереопаре изображений «облака точек».

Левое изображение этой стереопары представляет собой ортогональную проекцию точек "облака" на координатную плоскость системы координат

модели ОмУиХкЙМ (рис. 4), которая в общем случае может быть развёрнута вокруг осей X, Y, Z системы координат объекта 0XYZ соответственно на углы а,

В этой системе координат координаты точек облака определяются по формулам:

где, А - матрица преобразования координат, элементы которой являются функциями угловых элементов ориентирования

Правое изображение стереопары представляет собой параллельную проекцию точек "облака" на плоскость проектирующими лучами

параллельными координатной плоскости и развёрнутыми относительно оси

Zм на угол ф.

Координаты точек правого изображения стереопары равны:

В формулах - продольный параллакс.

Как следует из формул величина продольного параллакса зависит от координаты точки "облака" Zм и величины угла ф.

Изменяя величину угла ф, и, как следствие, величину продольного параллакса Р, можно менять значение вертикального масштаба наблюдаемой стереоскопической модели и подбирать, таким образом, оптимальные условия наблюдения стереоскопической модели измеряемого объекта.

Полученную таким образом стереопару изображений можно наблюдать стереоскопически на экране дисплея одним из известных в фотограмметрии методов, реализованных в цифровых стереофотограмметрических системах.

В случае, если при съёмке фиксировалась информация о цвете или оптической яркости точек отражения лазерных импульсов, то соответствующим им точкам изображений на стереопаре присваиваются соответствующие значения цвета или оптической яркости. При отсутствии при съёмке информации о цвете или яркости, точкам на изображениях стереопары могут быть присвоены

произвольные цвета или яркости, например, с помощью генератора случайных чисел.

Стереоскопические изображения поверхности объекта в виде "облака точек" позволяют не только наблюдать, но и измерять эту поверхность, в том числе и в пространстве между точками отражения лазерного импульса.

С этой целью используется известный в фотограмметрии метод мнимой марки, позволяющий совместить стереоскопическое изображение измерительной марки с поверхностью модели "облака точек" и таким образом измерить координаты соответствующих изображений точки на стереопаре.

По измеренным координатам этих точек Хм,Хм2 И Ум можно вычислить пространственные координаты измеренной точки в системе координат объекта 0XYZ по формулам:

'Г 'Хм"

У = А Ум

гм,

в которых:

Р Хм-Хм,

¿м =-=-

ЧЧ> %<Р

Изложенный метод измерений "облака точек" позволяет создать векторные объекты структурных линий поверхности, зданий и конструкций и т.п., даже в тех случаях, если они полностью или частично не были измерены при проведении лазерного сканирования.

С целью обеспечения удобства работы оператора и, как следствие, повышения производительности процесса измерения можно осуществить при проведении измерений автоматическое совмещение измерительной марки с поверхностью объекта, используя цифровую модель его поверхности в виде триангуляции Делоне, построенную по точкам "облака".

В этом случае при перемещении марки по левому изображению стереопары по значениям координат по цифровой модели поверхности

5

вычисляется координата Zм измеряемой точки, а затем по формулам (3) координата Хг соответствующей точки на правом изображении.

При проведении измерений оператор может вручную опустить или поднять измерительную марку относительно поверхности объекта смоделированной с помощью триангуляции Делоне.

Возможен и другой метод получения стереопар изображения "облака точек". В этом методе создаётся стереопара изображений центральной проекции "облака точек" идеального случая съёмки в системе координат модели в общем случае, произвольно расположенной и ориентированной относительно системы координат объекта

Рис.5

Координаты изображений точек "облака" на снимках стереопары в этом методе определяют по формулам:

' Хм X -Хдщ

Км У-у*,

В формулах (6): / - фокусное расстояние изображений стереопары, В - базис фотографирования.

Координаты Xm.Ym.Zm точек "облака" вычисляют по формулам:

(7)

в которых - координаты начала системы координат модели в

системе координат объекта 0ХУ7.

Меняя значения координат ^„„.У««.^ и угловых элементов ориентирования а,<0,;£можно изменять положение и ориентацию стереопары изображений относительно объекта съёмки. Подбором значений величин / и В возможно изменение значения вертикального масштаба наблюдаемой стереоскопической модели и точности определения координат точек объекта по результатам измерения стереопары изображений.

При стереоскопическом наведении измерительной марки на точку поверхности модели её координаты определяются по формулам:

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования фотограмметрического метода съёмки архитектурных сооружений с использованием данных трехмерного лазерного сканирования.

В качестве исходных материалов фотограмметрической съёмки были использованы:

- снимки фасада здания, полученные фотограмметрической камерой UMK и преобразованные в цифровую форму на фотограмметрическом сканере;

- снимки фасада здания, выполненные цифровой камерой CANON;

- материалы планово-высотной подготовки снимков объекта, включающие каталог координат опознаков и оригиналы снимков с наколотыми на них изображениями точек и их описаниями.

Лазерное трехмерное сканирование объекта производилось сканером RIEGL LMS—Z210 с точки, расположенной на расстоянии около 16 м от середины здания. Сканирование производилось с максимальным угловым разрешением, составляющим приблизительно 3',5. На объекте расстояние между смежными точками модели объекта составляли величину от 1.6 см в середине здания до 3.6 см на его краю.

Перед съемкой трехмерным лазерным сканером на здании и столбах ограждения мостовой, расположенных на противоположной стороне улицы, были установлены 6 марок, выполненных из светоотражательной пленки.

Эти марки служили опорными точками для внешнего ориентирования трехмерной модели объекта, полученной в результате лазерного сканирования.

Рис.6

Координаты этих марок были определенны с помощью безотражательного тахеометра Trimble TTS300. Одновременно были определенны координаты 6 контурных точек объекта, которые служили для внешнего ориентирования модели объекта построенной по стереопаре снимков.

На рис. 6 показано расположение опорных точек для внешнего ориентирования модели объекта, построенной по данным трехмерного лазерного санирования.

На рис. 7 отображён фрагмент "облака" точек, полученного в результате сканирования.

Таблица 1

№№ ТОЧКИ ДХ(м) ДУ(м) дг(м) ДО (м)

206 -0,009 0,017 0,002 0,020

101 0,001 0,000 0,001 0,002

102 0,008 0,000 0,000 0,008

103 0,006 0,004 0,001 0,007

104 0,001 -0,014 -0,002 0,015

208 0,005 -0,007 -0,002 0,009

Д0ср.=0,010ч

По результатам лазерного сканирования было проведено внешнее ориентирование "облака" точек. Результаты внешнего ориентирования модели приведены в таблице 1.

Затем построена цифровая модель поверхности объекта в виде триангуляции Делоне. При построении цифровой модели поверхности объекта точки "облака", не принадлежащие к объекту, в частности точки, относящиеся к линии электропередачи, были исключены.

Далее, по разработанной в главе 2 новой технологии, по материалам фотограмметрической съемки, выполненной камерой иМК 10/1318 с Г = 100мм, была получена стереопара снимков объекта, при этом величина базиса составила 16м.

Оригинальные негативы снимков предварительно были 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 проводились в программном модуле «РИо1отоЛ АТ» системы «РЬ^ошоЛ».

Результаты внешнего ориентирования фотограмметрической модели приведены в таблице 2.

Таблица 2

АХ (м) ДУ(м) № (м)

Среднее отклонение 0.007 0.004 0.026

Максимальное отклонение 0.012 0.011 0.040

После построения и внешнего ориентирования фотограмметрической модели был произведен импорт «облака» точек, полученных в результате лазерного сканирования, из формата БХР в модуль РЬЛотоё-БТМ. По этим точкам была построена цифровая модель поверхности объекта в виде триангуляции Делоне.

Далее, цифровая модель поверхности объекта, представленная треугольниками, преобразовывалась в регулярную модель этой поверхности в виде сетки квадратов со стороной равной 3 см. Затем, в модуле «РавЮгШо» было произведено формирование ортофотоплана объекта по левому снимку стереопары с разрешением Змм.

Построенный цифровой ортофотоплан рис.8 имеет значительные искажения изображений окон, а также участков здания, расположенных возле водосточных труб.

Изучение цифровой модели рельефа поверхности здания, построенной по результатам трёхмерного лазерного сканирования, показало, что при сканировании оконных проёмов и оцинкованных водосточных труб результаты содержат ошибочные данные. При сканировании оконных проёмов лазерный луч дальномера в ряде случаев даёт двойное отражение от стёкол, 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.

Устранение ошибок цифровой модели результатов трехмерного лазерного сканирования выполнялось в модуле «Фотомод -DTM». В стереоскопическом режиме были удалены ошибочные точки, полученные в результате лазерного сканирования, проведены структурные линии рельефа поверхности объекта, а затем повторно строилась цифровая модель поверхности, с учетом структурных линий.

Фрагмент ортофотоплана, полученного до и после редактирования модели рельефа, представлен на рис.9 и 10.

Рис.9 рис.10

С целью построения контроля точности ортофотоплана был создан обмерный чертёж по традиционной технологии.

В исследовании использовалась уже готовая пространственная модель объекта, построенная по снимкам, полученным фотограмметрической камерой UMK 10/1318. Рисовка обмерного чертежа фасада здания в стереорежиме производилась в программном модуле «StereoDro».

При совмещении ортофотоплана с векторным обмерным чертежом рис.11 видно, что точность построенного ортофотоплана соответствует точности векторного чертежа. Расхождения контуров векторного чертежа и ортофотоплана не превышали 0.1 мм в масштабе плана. Это позволяет сделать вывод, что ортофотоплан можно использовать как обмерный чертёж. При этом он обладает большой информативностью, а время, затраченное на его получение, меньше.

рис.11 рис.12

В рамках данной работы были проведен эксперимент по созданию ортофотоплана по снимкам, полученным цифровой фотокамерой CANON EOS D60 и результатам трёхмерного лазерного сканирования.

С помощью фотокамеры CANON, откалиброванной на кафедре фотограмметрии МИИГАиК, были получены цветные изображения объекта в цифровой форме, которые можно сразу загружать в память компьютера. При использовании цифровых камер для съёмки исключается химико-

фотографическая обработка и сканирование снимков, а значит, исключаются источники ошибок, связанные с этими процессами.

Фотограмметрическая обработка маршрута выполнялась на ЦФС РНОТОМОБ. В программном модуле «РавЮгШо» был построен ортофотоплан. Для построения использовалась цифровая матрица поверхности, полученная по результатам лазерного сканирования после редактирования.

На рис. 12 построен фрагмент ортофотоплана с нанесённым векторным обмерным чертежом.

С целью экспериментальной проверки предложенного метода стереоскопического наблюдения и измерения "облака точек", полученного трёхмерной лазерной сканерной съёмочной системой, был создан обмерный чертеж фрагмента фасада здания МИИГАиК.

Съёмка объекта была произведена трёхмерным лазерным сканером Сугах 2500, специально предоставленным для проведения исследований, фирмой ОБК. Сканирование объекта производилось с максимальным угловым разрешением Г,7. На объекте расстояния между смежными точками отражения составили соответственно 8мм и 5мм по горизонтали и вертикали.

рис.13

На рис. 13 представлен фрагмент массива точек, полученный в результате лазерного сканирования.

Создание стереопары изображений "облака точек" и её обработка осуществлялись на цифровой фотограмметрической системе "Талка", версия 3.1.

Стереопара изображений была создана при значениях фокусного расстояния и базиса фотографирования

По результатам обработки полученной стереопары изображений был создан обмерный чертёж фрагмента фасада, который представлен на рис. 14.

рис.14

С целью оценки качества проведённых работ, по результатам стереофотограмметрической съёмки, выполненной съёмочной

фотограмметрической камерой UMK 10/13x18 на цифровой фотограмметрической системе "Талка" был построен ортофотоплан фрагмента фасада здания, с которым был совмещён обмерный чертёж, созданный по результатам трёхмерного лазерного сканирования (рис15).

Расхождение контуров объекта на фотоплане и обмерном чертеже не превышают 5 мм, что соответствует точности определения координат точек трёхмерным лазерным сканером Сугах 2500.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложении представлены обзорные материалы по трёхмерным лазерным сканерам.

На защиту выносится.

1. Методы и технологии создания ортофотопланов по наземным фотоснимкам и цифровым моделям поверхности объекта, полученным в результате трёхмерного лазерного сканирования.

2. Метод получения трёхмерных векторных моделей объекта по ортофотопланам, созданных по цифровым поверхностям объекта, построенным по материалам трёхмерного лазерного сканирования.

3. Методы стереоскопического наблюдения, измерения и создания векторных обмерных чертежей по стереопарам «облака точек», полученного по результатам трёхмерного лазерного сканирования.

Публикации по теме диссертации.

1. Синькова М.Г. Фотограмметрическая съемка архитектурных сооружений с использованием данных трехмерного лазерного сканирования. Геодезия и Картография 9'2002, с.29-33.

2. Михайлов А.П., Синькова М.Г. Применение стереоскопического метода для наблюдения и обработки результатов трёхмерного лазерного сканирования. Геодезия и Картография 9'2003,с.24-28.

3. Синькова М.Г. О проблемах, возникающих при построении цифровых моделей рельефа на цифровых стереофотограмметрических системах. Геодезия и аэрофотосъёмка, Известия ВУЗов, М., №2,2003, с.76-79.

»22 4 3»

РНБ Русский фонд

2005-4 24125

Подп. к печати 20.10.2004 Формат 60x90/16 Бумага офсетная Печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,5 Тираж экз.80 Заказ №177 Цена договорная

МГУГиК

103064, Москва К-64, Гороховский пер., 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Синькова, Марина Германовна

Введение.

1. Обзор и анализ современного состояния методов архитектурных съемок.

1.1 Применение фотограмметрии в архитектурных съемках.

1.2 Восстановление объемных моделей.

1.3 Использование неметрических цифровых камер в фотограмметрии.

1.4 Съёмка архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования.

1.5 Принцип съёмки объектов методом трёхмерного лазерного сканирования.

1.6 Выводы.

2. Теоретическое обоснование и разработка технологий фотограмметрической съёмки архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования.

2.1 Обоснование создания технологий обмерных чертежей архитектурных сооружений методом фотограмметрической съемки с использованием данных трехмерного лазерного сканирования.

2.2 Разработка методов совместного использования фотограмметрического и трёхмерного лазерного сканирования.

2.2.1 Методика создания цифровых ортофотопланов.

2.2.2 Разработка технологий получения ортофотопланов и трёхмерных векторных моделей по результатам фотограмметрической съёмки и данных трёхмерного лазерного сканирования.

2.2.3 Разработка технологии применения стереоскопического метода для наблюдения и обработки результатов трёхмерного лазерного сканирования.

2.2.4 Выводы.

3 Экспериментальное исследование фотограмметрического метода съёмки архитектурных сооружений с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования.

3.1 Получение ортофотопланов и обмерных чертежей по материалам фотограмметрической съемки архитектурных сооружений с использованием данных трехмерного лазерного сканирования на цифровой стереофотограмметрической системе.

3.1.1 Съёмка архитектурного сооружения трёхмерным лазерным сканером RIEGL LMS-Z210.

3.1.2 Получение ортофотоплана на ЦФС PHOTOMOD с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования.

3.1.3 Создание обмерного чертежа по снимкам, полученным камерой UMK 10/1318. Контроль точности ортофотоплана, полученного по разработанной технологии.

3.1.4 Создание ортофотоплана по снимкам, полученным цифровой фотокамерой CANON EOS D60 и данным трёхмерного лазерного сканирования.

3.2 Получение обмерного чертежа по стереоизображению "облака" точек трёхмерного лазерного сканирования.

3.3 Выводы. Заключение. Литература. Приложение.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и исследование фотограмметрических технологий обмеров архитектурных сооружений с использованием лазерных трёхмерных сканеров"

Разработка и внедрение в производство метода трехмерного лазерного сканирования открывает новые возможности совершенствования методов и технологий фотограмметрических архитектурных съемок. В результате сканирования лазерного луча получают «облако точек», или массив точек, которые формируют трёхмерные модели объектов в необходимой системе координат. Достоинством съёмочных систем трёхмерного лазерного сканирования является: получение практически в режиме «реального времени» достоверной информации о форме, размерах и положении объектов съёмки в выбранной системе координат объекта, в качестве которой могут служить, как государственные геодезические, так и любые другие системы координат; возможность производить съёмки в условиях плотной городской застройки, так как нет жёстких требований в подборе параметров съёмки; возможность получать не только координаты точек "объекта", но и информацию о его цвете или оптической яркости; возможность производить измерения объектов по «облаку точек», ортогональная проекция которого на произвольно выбранную плоскость визуализируется на экране дисплея компьютера. Идентифицируя изображения точек «облака», можно производить измерения расстояний между точками, создавать векторный чертёж объекта и т.п. По точкам можно создавать цифровую модель поверхности объекта в виде триангуляции Делоне, а также строить профили или сечения его поверхности. При съёмке инженерных объектов можно аппроксимировать участки объекта плоскостью, цилиндром и другими пространственными фигурами.

Наряду с достоинствами трёхмерные лазерные системы имеют и недостатки: трудности в интерпретации объектов сложной формы; сложность векторизации объектов по «облаку точек»; медленная работа с файлами больших размеров; для увеличения скорости обработки материалов необходимо работать с фрагментами объекта съёмки.

Комплексное использование методов фотограмметрических и трёхмерного лазерного сканирования открывают новые возможности в развитии технологий для обмеров архитектурных сооружений и создания обмерных чертежей.

Целью настоящей работы является: разработка и исследование фотограмметрических технологий обмеров архитектурных сооружений с использованием данных, полученных с помощью лазерных трёхмерных сканеров. Разработка новых технологий рассматриваются в двух аспектах:

1 Получения цифровых ортофотопланов по материалам фотограмметрической съёмки и данных трёхмерного лазерного сканирования с дальнейшей целью получения трёхмерных векторных обмерных чертежей.

2 Измерения и создания векторных обмерных чертежей по стереоскопическому изображению массива точек, полученных в результате трёхмерного лазерного сканирования.

Для достижения целей необходимо исследовать и решить следующие задачи:

1. Разработать методику создания ортофотопланов по фотоизображению (цифровому или аналоговому) и результатам трёхмерного лазерного сканирования.

2. Разработать технологию получения обмерных чертежей по ортофотопланам, полученным по материалам фотограмметрической съёмки и данным трёхмерного лазерного сканирования.

3. Разработать технологию наблюдения, измерения и создания векторных обмерных чертежей по стереоскопическим изображениям результатов трёхмерного лазерного сканирования.

Заключение Диссертация по теме "Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия", Синькова, Марина Германовна

3.3 Выводы.

Выполненные экспериментальные работы позволили сделать следующие выводы:

- Практически показана возможность съемки архитектурных объектов фотограмметрическим методом в комбинации с методом трехмерного лазерного сканирования;

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;

В силу дискретного характера трехмерной лазерной съемки цифровая модель рельефа поверхности объекта не позволяет адекватно отобразить небольшие по размеру детали объекта, что приводит к снижению качества и точности цифрового ортофотоплана;

- Цифровая модель объекта, полученная в результате трехмерного лазерного сканирования, требует доработки с целью дополнения ее структурными линиями поверхности объекта, даже, в случае, съемки объекта несложной формы.

Использование изображений цифровых неметрических камер позволяет исключить процесс фотообработки и дальнейшего сканирования изображений при создании ортофотопланов, что, в свою очередь, позволяет удешевить процесс их создания.

- Исследования показали реальную возможность применения стереоскопического метода для наблюдения и обработки результатов трёхмерного лазерного сканирования.

- В результате лазерного сканирования при использовании параметров цветопередачи и плотного шага сканирования можно достичь фото реалистического качества, а стереометод обработки таких массивов точек делает возможным интерпретацию форм сложных архитектурных объектов.

- Стереоскопический метод обработки результатов съёмки трёхмерным лазерным сканером позволяет с высокой надёжностью и точностью создавать обмерные векторные чертежи архитектурных сооружений.

Заключение.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в диссертации, позволяют сделать следующие выводы.

В настоящей работе были предложены методы комплексного использования фотограмметрических методов съёмки и данных трёхмерного лазерного сканирования. В частности:

Разработана технология создания ортофотопланов по фотоизображению (цифровому или аналоговому) и цифровой модели поверхности объекта, полученной в результате трёхмерного лазерного сканирования. Экспериментальные исследования этой технологии показали возможность создания ортофотопланов архитектурных объектов фотограмметрическим методом в комбинации с методом трехмерного лазерного сканирования. Реализация данной технологии может быть осуществлена на любой стереофотограмметрической системе.

Разработана технология получения ортофотопланов по стереофотограмметрической съёмке с базиса небольшой длины и по цифровым моделям объекта, полученным в результате трёхмерного лазерного сканирования.

Разработана технология получения трёхмерной векторной модели объекта (трёхмерного обмерного чертежа архитектурного сооружения) по ортофотоплану, построенному с использованием данных трёхмерного лазерного сканирования. Такие векторные модели могут быть созданы во многих фотограмметрических системах. В частности, это реализовано в модуле «Vector» в стереофотограмметрической системе «Photomod».

Разработан метод стереоскопического наблюдения, измерения и создания векторных обмерных чертежей по «облаку точек», полученного трёхмерным лазерным сканером. Проведённые экспериментальные исследования показали реальную возможность использования этого метода на практике. Стереоскопические наблюдения массивов точек решают задачу интерпретации объектов сложной формы. Предложенный метод обработки результатов съёмки трёхмерным лазерным сканером позволяет с высокой надёжностью и точностью создавать обмерные векторные чертежи архитектурных сооружений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Синькова, Марина Германовна, Москва

1. Дружинин М.Ю. Технология CloudWorx. Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. №3(40)2003г. Совместное издание ГИС-Ассоциации и фирмы Г.Ф.К. Выпуск № 6. Осень 2003,с.35.

2. Инструкция по использованию трехмерного лазерного сканера Сугах 2500. США,1997.

3. Инструкция по использованию трехмерного лазерного сканера RIEGL LMS-Z210. Австрия, Ригл, 2001.

4. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. Федеральная служба геодезии и картографии России. М., ЦНИИГАиК, 2002.

5. Лобанов А. Н. Фотограмметрия. М., Недра, 1984.

6. Лобанов А. Н., Журкин И. Г. Автоматизация фотограмметрических процессов. М., Недра, 1980.

7. Краснопевцев Б.В. «Основные события истории фотограмметрии и воздушной фотосъёмки до 1918 года». Геодезия и картография,1998г. №№8,11,12.

8. Краснопевцев Б.В. «Основные события истории фотограмметрии, аэро- и космической съёмки в нашей стране после 1917года». Геодезия и картография, 2000г. №№ 5,6,7.

9. Коева М.Н., Петрова В.П., Жечев Д.В. Возможности неметрических камер в наземной фотограмметрии. Геопрофи, М.,2003 ,№4,с 19-21.

10. Мельников С. Р., Дроздов О. В. Инновации в создании цифровых моделей трехмерные лазерные сканирующие системы. Нефтяное хозяйство 6'2001. стр.26.

11. Метелкин А. Н. Основы архитектурно-строительной фотограмметрии. Воронеж, изд-во Воронеж, ун-та. 1981.

12. Методические указания по фотограмметрической съёмке архитектурных памятников. Новосибирск, НИШИ , 1977.

13. Михайлов А.П. Лекции по курсу фотограмметрии для студентов аэрофотогеодезической специальности. 2003г

14. Михайлов А.П., Синькова М.Г. Применение стереоскопического метода для наблюдения и обработки результатов трёхмерного лазерного сканирования. Геодезия и Картография 9'2003.

15. Программа создания ортофотопланов, моделей рельефа местности и стереовекторизации по материалам космической и аэрофотосъёмки". Талка. Версия 3.1, Москва 2001г.

16. Прокофьев Ф. И. Охрана труда в геодезии и картографии. М., Недра, 1984.

17. Руководство по применению фотограмметрических методов для составления обмерных чертежей инженерных сооружений. ПНИИИС. М., Стройиздат, 1984.

18. Руководство пользователя. Программа "FHOTOMOD DTM". Система Фотомод 3.1. Ракурс, Москва, 2001г.

19. Руководство по применению фототеодолитной съёмки при инженерных изысканиях для строительства. ПНИИС. М., Стройиздат, 1976.

20. Сердюков В.М. Фотограмметрия в промышленном и гражданском строительстве. М., Недра, 1977.

21. Синькова М.Г. Фотограмметрическая съемка архитектурных сооружений с использованием данных трехмерного лазерного сканирования. Геодезия и Картография 9'2002. стр.29-33.

22. Синькова М.Г. О проблемах, возникающих при построении цифровых моделей рельефа на цифровых стереофотограмметрических системах. Геодезия и аэрофотосъёмка, Известия ВУЗов, М., №2,2003г.

23. Справочник геодезиста. Книга 2. М., Недра, 1975, с.914-915.

24. Тюфлин Ю.С. Развитие отечественной фотограмметрии. Геодезия и картография. 1994. - № 3. - С. 33-40.

25. Al-Hanbali et all (2000). Assessment of a laser scanning system for deformation measurements. L.A.P.R.S. vol. XXXIII, Part B5/1.

26. ISPRS. The International archives of the photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences. Volume XXXIII, Part 4. Amsterdam 2000. Uwe Bacher «Experimental studies into automated DTM generation on the DPW-770».

27. Boccardo P., Comoglio G. (2000) New methodologies for architectural photogrammetric survey. International Archives of photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXIII, Part B5/1.

28. Bomaz L., Lingua A., Rinaudo F., (2002). A new software for the automatic registration of 3D digital models acquired using laser scanner devices. Proceeding of International Workshop CIPA on Scanning for Cultural Heritage Recording, Corfu (Greece).

29. Digital Scanning Workstation. User^s Manual. DSW 200 Maintenance. Version 2.5.1. March 21, 1996.

30. Proceedings 18-th International Symposium CIPA 2001. Potsdam (Germany), September 18-21. Wolfgang Boehler, Guido Heinz, Andreas Marbs. "The potential of non-contact close range laser scanners for cultural heritage recording."

31. Proceedings 18-th International Symposium CIPA 2001. Potsdam (Germany), September 18 21. Marcello Balzani, Alberto Pellegrinelli, Nicola Perfetti, Federico Uccelli. "A terrestrial 3d laser scanner: accuracy tests."

32. Dr. L. Hinsken 1996-2000. «Программа управления ориентированием. Руководство пользователя».

33. Proceedings 18-th International Symposium CIPA 2001. Potsdam (Germany), September 18-21 . Fradie Kern. "Supplementing laserscanner Geometric Data with photogrammetric data with photogrammetric images for modeling."

34. Josh Kern, Optech Inc., Canada, "Mapping ground Zero", GIM, January 2002r., p. 68-71.

35. Proceedings 18-th International Symposium CIPA 2001. Potsdam (Germany), September 18 21. Carlo Monti, Raffaella Brumana, Luigi Fregonese,

36. Carlo Savi, Cristiana Achille "Integrated methodologies of survey digital photogrammetry and 3d model laser scanning."37. "Product Survey on Laserscanners . An Overview". GIM, январь 2001г., с. 49-52.

37. User's Manual. Socet Set. Version 3.1, Second Edition, p. 1-5, февраль 1996r