Методика використання лазерного сканування для створення ортозображення фасаду споруди та полігональної 3D моделі

Описание блог поста.

Andrii Malitskyi

2021-04-30 1 min read

Сучасні підходи до вивчення певних історичних процесів та моніторингу змін навколишнього середовища вимагають особливих методів збору даних. Наприклад, для проведення археологічних досліджень часто виникає задача фіксації поточного стану поверхні з високою детальністю та точністю. При цьому звертається увага на особливості залягання породи, колір, різноманітні субстанції, які є важливим показником певного історичного процесу. Використання стандартних вимірювальних засобів з метою створення векторного відображення елементів поверхні може не дати очікуваного результату. Тому, в даний час на зміну традиційним геодезичним методам координатного забезпечення наукових та виробничих досліджень приходять нові технології, зокрема тривимірне наземне лазерне сканування у поєднанні з супутниковим позиціонуванням та засобами фотограмметрії. Технологія тривимірного наземного лазерного сканування дозволяє отримати детальну цифрову модель археологічного, геологічного чи архітектурного об'єкту і, з її допомогою в сукупності, вирішувати перераховані завдання. При наявності цифрової моделі з'являється можливість проведення різних експериментів, необхідних для перевірки будь-яких гіпотез. Що важливо, ці дослідження проводяться в камеральних умовах в будь-який момент часу без відновлення знімальних робіт безпосередньо на об'єкті.

Для вирішення археологічних задач за цифровою моделлю місцевості може бути отриманий великомасштабний топографічний план в необхідній системі координат, визначені азимути всіляких напрямків і координати світил, можливе моделювання структурних елементів пам'ятника з метою виявлення його достовірного виду і вигляду палеоландшафтів. Але разом з усіма перевагами, лазерне сканування має один великий недолік – складність опрацювання хмари точок та прогалини вимірювань, які виникають через візуальну недоступність поверхні або низьку відбиваючу властивість певних матеріалів. З цих причин, для детального та точного відображення поверхні залишається актуальною побудова фотопланів. Такі графічні матеріали відображають фасади споруд, будівель, вертикальних місць залягання геологічних порід у ортогональній проекції. Крім графічного наповнення, фотоплан може зберігати точну метричну інформацію. Це дозволяє проводити досконале вивчення об'єкту за допомогою комп’ютерної техніки та зберегти усі особливості на певний момент часу у цифровому вигляді.

Для забезпечення високих показників детальності та метричної точності фотоплану пропонується методика побудови ортомозаїки по зв’язуючим точкам (методом побудови структури з руху (англ. - Structure from motion)) з використанням даних наземного лазерного сканування. Особливістю даної методики є визначення координат опорних точок по хмарі точок 3D сканів. Фотознімання з малої відстані забезпечить високу детальність у відображенні дрібних елементів поверхні, а лазерне сканування забезпечить високу точність одержання координат опорних точок. Крім того, для контролю одержаних результатів, пропонована методика передбачає побудову перетину хмари точок у вертикальній проекції, яку можна порівняти з ортомозаїкою.

Якщо розглядати питання способу визначення координат точок, то слід врахувати один важливий фактор. Визначення опорних точок та створення абрису може бути ускладненим через певні особливості поверхні. Відтак, при пошуку характерних точок на складній поверхні можуть виникнути розбіжності між обраною точкою при польових роботах та точкою обраною на фотознімку при камеральному опрацюванні. Отож, при традиційних методах знімання відчутний вплив на точність одержаних результатів має людський фактор. Крім того, не завжди можливо одразу визначити кількість необхідних опорних точок для подальшої побудови ортомозаїки. При тотальному зніманні 3D сканером, складнощі по ідентифікації опорних точок можна уникнути, так як в камеральних умовах на фотознімку та 3D скані паралельно визначатимуться чітко ці точки та їх координати.

Реалізація запропонованої методики пропонується за наступною схемою:
- вибір скануючої системи та фотокамери;
- 3D сканування;
- фотознімання;
- реєстрація сканів;
- побудова фотоплану за даними лазерного сканування;
- вибір опорних точок;
- побудова полігональної 3D моделі;
- складання ортомозаїки;
- оцінка точності.

Пропонована методика використовувалася при побудові фотоплану залишків історичної забудови у вертикальній проекції на розі вулиць Краківська-Вірменська у м. Львові.

Залишки історичної забудови на своїй поверхні мають безліч характерних точок та ліній, по яким можна відшукати відповідності на скані та фотозображенні. Але для того, щоб точно розрізнити ці відповідності, лазерне сканування слід проводити з високою роздільною здатністю. В іншому випадку, тонкі лінії рельєфу стіни будуть не достатньо чітко виражені.

Таким чином, постає завдання високоточного та детального знімання стіни з декількох станцій сканування. При цьому, велике значення має тривалість геодезичних спостережень – за умов діючих археологічних розкопок потрібно максимально обмежити часові рамки 3D сканування.

Для реалізації поставленого завдання пропонується методика, яка базується на створенні декількох станцій сканування на короткій відстані та однієї-двох на відносно більшій відстані. Одна з дальних від об’єкту сканування станцій визначатиметься референсною. Ця станція має охопити усі опорні точки та об’єкти, по яких проводитиметься реєстрація сканів, а також більшу частину сканованого об’єкту. До даної станції будуть підв’язуватися решта сканів, в результатів чого буде одержано точкову модель в системі координат референсного скану. Це дозволить провести реєстрацію сканів без накопичення помилки визначення центру опорних точок та об’єктів одним із методів:
- метод суміщення спільних точок (об’єктів);
- метод суміщення хмар точок.

Для досягнення поставленого завдання, сканування з референсної станції слід проводити з такими параметрами, які забезпечать точне розпізнання усіх опорних точок та об’єктів.

Решта станцій сканування повинні забезпечити детальне знімання стіни. Для цього сканер встановлюється на такій відстані від сканованої поверхі, яка зможе забезпечити малий крок сканування. Саме від того, на скільки детально та точно буде відскановано залишки забудови, буде залежати точність одержаних опорних точок для створення фотоплану.

Для забезпечення високих показників реєстрації сканів методом суміщення спільних точок (об’єктів), зі станції стояння приладу на короткодистанційних сканах, має бути чітко видимі як мінімум три опорні сфери. Кількість короткодистанційних станцій знімання залежить від протяжності об’єкту.

Використання в якості опорних елементів характерних точок, по яких реєструватимуться скани не рекомендується. Це пояснюється складністю поверхні стіни – з різних станцій сканування обрана точка може бути погана розпізнана. В умовах розкопок залишків історичної забудови, відстань між поверхнею і станцією сканування складає до 5 метрів. Через обмеження по відстані, використання плоских марок ускладнюватиметься гострим кутом падіння лазерного променю із суміжних сканів. З цих причин виникатиме додаткова похибка у визначенні центру марки. Тому оптимальним є використання об’ємних сфер, які мають однакову видимість з різних кутів огляду.

Точність реєстрації сканів залежить від точності розпізнання самих сфер. Точність розпізнання сфер залежить від кількості проміряних точок, які лежать на її поверхні. Відповідно, саме від режиму сканування (роздільна здатність та точність вимірювання) залежатиме точність зшиття сканів.

При скануванні залишків історичної забудови на розі вулиць Краківська-Вірменська у м. Львові було створено 1 довгодистанційну (скан №022), 4 короткодистанційних станцій стояння приладу та 1 надлишкову короткодистанційну станцію (скан №32) (рис.). При цьому з 5-ти станцій будо відзнято стіну протяжністю 24,2м та висотою від 1,5 до 3 метрів.

Крок сканування короткодистанційних сканів складає 7,67 мм на відстані 10 м, а довгодистанційного – 6,14 мм (табл.). Враховуючи відстань до залишків стіни, найвище максимальне роздільної здатності на стіні складає 2,61 мм на скані «030», найнижче – 3,84 мм на скані «024».

Ці параметри сканування задовільнили головні умови методики сканування на малій відстані:
- виявлення та фіксування на референсному скані усіх опорних елементів, які використовуватимуться для реєстрації сканів методом суміщення опорних точок (об’єктів) (табл);
- видимість на референсного скану більшої частини сканованої області (високий рівень перекриття з короткодистанційними сканами);
- відтворення усіх характерних елементів поверхні стіни, які використовуватимуться в якості опорних точок на короткодистанційних сканах

Для економії часу в польових та камеральних умовах, можна використати автоматичний режим реєстрації сканів методом суміщення хмар точок. Особливість цього методу полягає у тому, що реєстрація сканів відбувається без участі опорних елементів (марки, кулі).

Згідно використаної методики, референсний скан №22 охопив майже всю область сканування. Це означає, що суміжні скани мають певне перекриття між собою, що дозволяє використати методу суміщення хмар точок. В результаті реєстрації сканів, одержано точкову модель території (рис.). На цій моделі чітко видно більшість елементів стіни та навколишніх об’єктів.

Для побудови розгортки 25 метрових залишків історичної забудови можна використати дані наземного лазерного сканування. ПЗ PointCab виконує проектування точок сканування на певну, довільно побудовану площину

Основними недоліками такого методу є недостатня чіткість створеного зображення та наявність сліпих зон, які були допущені при вимірюванні 3D сканера. На скільки детально буде зображена поверхня залежить від кроку сканування та перекриття суміжних станцій. Чим менший крок і більше перекриття сканів – тим чіткіше буде зображення. Основною перевагою даного методу є

- точність – зображення, створене по точках 3D сканування містять лише помилки приладу та реєстрації сканів.

- універсальність. Точкова модель є тривимірним відображенням відсканованого об’єкту. Це дозволяє спроектувати набір точок на обрану площину, що забезпечить побудову фотоплану з будь-якого ракурсу.

На відмінну від методу проектування 3D точок на поверхню, використання фотознімків для побудови розгортки буде містити ще й помилки трансформації зображень та визначення координат опорних точок. Але детальність зображення може бути в рази вищою. Крім того, можна уникнути сліпих зон, які можуть виникнути в разі невдалого встановлення сканера чи складністю будови об’єкту.

Першим кроком для реалізації даного методу є вибір опорних точок, по яким буде будуватися модель стіни. Для цього слід знайти чіткі елементи на скані, які будуть відображені і на фотознімку.

Для полегшення роботи зі сканом, пропонується працювати у режимі 2D відображення хмари точок поодинокого скану. При наведенні на потенційну опорну точку, слід зафіксувати апроксимовані координати точки. Це дозволяє одержати координати обраної точки з високою точністю навіть у тому випадку, якщо крок сканування не дозволив детально відсканувати певний контур. При роботі у 3D режимі автоматична апроксимація не можлива. З цих причин, через проміжки між точками вимірів, точно визначити координати обраної точки складно. Крім того, у режимі 3D перегляду хмари точок усіх сканів можливі похибки вибору точки за рахунок шумів, які виникають через гострий кут падіння лазерного променю суміжних сканів. У випадку необхідності зняття координат опорних точок по хмарі точок слід дотримуватися наступних рекомендацій:
- якщо частина точок певного скану є результатом сканування обраного елементу під гострим кутом, то такі виміри слід видалити;
- хмара точок має бути повною – усі скани, на яких присутній елемент, з якого зніматимуться координати повинні бути завантажені;
- потрібно обмежити хмару точок до обраного елементу, з якого визначатимуться координати точки.

Перед зняттям координат точок, також потрібно звернути увагу на режим відображення точок сканування. Цифрова камера сканерів здебільшого є низької якості, так як вона покликана лише розрізняти належність групи точок до певного об’єкту, а тому може бути причиною помилкового вибору точок. Тому слід використовувати режим відображення скану за інтенсивністю відбиття лазерного променю. Але при цьому треба звернути увагу, що зображення інтенсивності відбиття лазерного променю може мати суттєві відмінності від фотозображення, адже проекція 3D точок у цьому режимі не є чорно-білим аналогом фотозображення (рис.).

Вихідними даними для створення ортозображення залишків історичної забудови є:
- набір фотознімків (25шт.) зроблених вздовж стіни фотокамерою Sony NEX-5R з перекриттям 80% (розрізнювальна здатність 4912*3264);
- 24 опорні точки, координати яких визначені на 3D сканах.

Побудова розгортки стіни здійснюється поетапно:
- зовнішнє орієнтування фотознімків;
- створення розрідженої хмари точок;
- позначення опорних точок на знімках;
- уточнення положення фотознімків;
- побудова хмари точок;
- побудова полігональної моделі об’єкту

Стандартною проекцією для створення ортофотоплану є проекція, що лежить у площині xy. Але для створення фотоплану залишків історичної забудови потрібно створити іншу довільну площину вздовж стіни. Ця особливість не дозволяє використати, наприклад, ПЗ Pix4D, так як вибір площини проектування, по яким будуватиметься фотоплан, у даному ПЗ не передбачається.

Тому побудова фотоплану залишків історичної забудови виконувалася за допомогою ПЗ Agisoft Photoscan. Проаналізувати якість результатів можна за даними таблиць точності.

При побудові фотоплану стіни за допомогою ПЗ Agisoft Photoscan, розходження між заданими координатами опорних точок і визначеними складає 0,0262м. При цьому найбільші похибки мають точки, які лежать поза площиною стіни (точки 1, 2, 3, 4, 12, 23, 24).

Андрій Маліцький (Львів). Методика побудови фронтального фотоплану залишків історичної забудови у м. Львові. III Міжнародна наукова конференція “Пам’ятки Тустані” 2016р.