ФГБОУ ВО Государственный университет по землеустройству

Москва, ул. Казакова, д.15, begliarovns@gmail.com.

Согласно [1 и 2] в мировой практике большинство действующих систем учета и управления земельными ресурсами основаны на 2D способе представления данных и не в состоянии приспособиться к разнообразию сложных ситуаций, вызванных реалиями современного мира. Все уровни власти сталкиваются с беспрецедентным требованием использования пространства над и под земной поверхностью.

Таким образом сформировался общественно-практический и научно-методический запрос на разработку технологии, которая могла бы учитывать все многообразие объектов и ситуаций при изысканиях, при этом адекватно предоставляя точную геоинформационную картографическую базу для проектирования. Опираясь на международный опыт и отечественные разработки автором была создана универсальная технология, объединяющая аэрофотосъемку с использованием беспилотных летательных аппаратов и наземное лазерное сканирование с применением самых современных методик обработки совокупных результатов. Такая технология позволяет в автоматизированном или полуавтоматическом режимах получать трехмерные модели местности и объектов при сокращении продолжительности полевых работ и увеличении прибыли за счет повторного использования. Также позволяет значительно повысить детальность и достоверность информационного обеспечения всей системы изысканий, путем интеграции 3D моделей и BIM-моделей.

В качестве демонстрационного объекта для применения универсальной технологии сбора геопространственных данных для изысканий, связанных с мониторингом деформационных процессов было выбрано главное здание ФГБОУ ВО ГУЗ, которое находится по адресу: Москва, ул. Казакова, д.15.

Сущность технологии заключается в создании точечной трехмерной модели двумя способами, которые при обработке по предлагаемой методике позволяют получить объединенную трехмерную модель объекта изысканий.

Сканирование выполнялось сканером Lieca BLK 360 с точностью определения местоположения точек 6мм на расстоянии 10м от сканера до объекта. Плотность сканирования равна 10мм. Полевой этап занял 10 полных рабочих дней, примерно 150 связующих настенных марок, за это время было выполнено сканирование с 150 станций.

Рис. 1 «Процесс сканирования»

Рис. 2 «Связующие марки»

Рис. 3 «Точечная 3D модель здания ГУЗ»

Камеральный этап (постобработка результатов сканирования) занял около 150 часов и состоял из нескольких шагов:

1. Регистрация сканов и фильтрация шумов в Recap Pro.
2. Разделение общего облака на кусочки для последующего вычисления нормалей и построения фасеточных полигональных моделей.
3. Фильтрация остаточных шумов в CloudCompare.
4. Упрощение облака точек для ускорения процесса обработки в CloudCompare.
5. Вычисление нормалей в Meshlab.
6. Построение плотной фасеточной полигональной модели в Meshlab.
7. Фильтрация избыточных полигонов в Meshlab.
8. Применения фильтров сглаживания и заделывания дыр в модели в Meshlab.
9. Объединение кусочков в единую модель главного здания ГУЗ в Meshlab. [7]

В подходящее для выполнения аэросъемки с БПЛА время была выполнена аэрофотосъемка по площадному маршруту с использованием дрона квадрокоптерного типа DJI Phantom 4 PRO. По результатам съемки, состоящей из 380 снимков в ПО AgisoftPhotoscan (версия ПО Agisoft Metashape Professional 1.5.5 build 9097 (64 bit)) были построены: разреженное облако точек, карты глубин и с использованием агрессивной фильтрации создано плотное облако точек и фотограмметрическая модель главного здания ГУЗ.

Камеральный этап обработки результатов аэрофотосъемки включал в себя следующие шаги:

1. Выравнивание — определение параметров внешнего и внутреннего ориентирования для каждой камеры в Agisoft PhotoScan.

2. Построение разреженного облака связующих точек и определение положение камер в Agisoft PhotoScan.

3. Построение плотного облака точек в Agisoft PhotoScan.

4. Построение модели в Agisoft PhotoScan.

Результат: создана модель в формате .ply готовая к экспорту на 149999 полигонов.

В открытом ПО CloudCompare (версия ПО 2.10.2 (Zephyrus)x64) загружены облака НЛС и БПЛА в форматах Las, проведена фильтрация шумов, упрощение облаков точек в несколько раз ввиду технических ограничений при обработке больших объемов.

Изучая и подбирая характерные точки на обоих облаках, готовим их к объединению. Результатом объединения становится облако точек всего здания ГУЗ. Следующий шаг, необходимый для создания 3D модели автоматизированным методом, вычисление нормалей и их ориентирование на барицентр облака. На этот этап ушло 23 секунды для упрощенного облака. Имея ориентированные нормали можно реконструировать полигональную фасеточную модель объекта.

Рис.4 Плотное облако точек по результатам АФС. 20млн точек.

Точность совмещения представлена СКО = 0,059м и матрицей трансформации скалярного поля на рисунке 4.

Рис.5 Результат совмещения двух облаков по 5 характерным точкам.

Работа по реконструкции автоматического алгоритма была закончена за 22 минуты. Результат представлен на рисунке 5.

Рис.6 Фрагмент 3D модели главного здания ГУЗ.

Рис.7 Детали 3D модели (Полигональная фасеточная модель).

Результатом применения данной универсальной технологии в приведенном примере становится полигональная фасеточная модель (несегментная), которая наилучшим образом отражает актуальную внешнюю поверхность объекта изучения со всеми деталями и свойствами. Подобный материал получен из поля за 10 дней, по сравнению с традиционной фасадной съемкой тахеометром или наземными фотограмметрическими методами предлагаемая технология обладает следующими преимуществами:

1. Высочайшая детальность модели;
2. Легкость проведения и организации полевых работ;
3. Слабая зависимость от метеоусловий;
4. Возможность устранять помехи за счет дополнительных стоянок и перекрытий;
5. В разы превосходящая производительность;
6. Законченная модель с крышей.

Время, затрачиваемое на обработку полевых материалов в случае применения данной технологии, не превышает 1 дня, что существенно ускоряет все последующие камеральные работы.

Рис.8 Лог ПО CloudCompaire. Запись всего процесса построения начиная с загрузки объединенного облака в 25млн точек до получения модели в формате ply. (31 минута на весь процесс.)

Получившуюся модель возможно экспортировать в любые подходящие для представления в любых современных программных комплексах геоинформационных систем (ArcGIS, Qgis, Infraworks и др.), а также в системах BIM-проектирования (ArchiCAD, Revit, Navisworks и др.). Что делает технологию сбора трехмерной геопространственной информации универсальной с точки зрения применимости и разнообразия охватываемых объектов и ситуаций. Предоставляемые материалы при реализации универсальной технологии обладают высокой точностью, детальностью и безграничным потенциалом для проектирования и повторного использования, уменьшая затраты на последующие полевые работы. Применение данной технологии способно значительно сократить затраты на согласование разнородных данных при этом выдерживая точностные характеристики так необходимые при проведении изыскательских мероприятий.