Розвідка і інженерна справа: 3D-моделі будівель, розв'язок і кар'єрів з фото



В якийсь момент у нас на порозі з'явився чоловік у цивільному з цілим жорстким диском фотографій одного інженерного об'єкта (назвемо його для визначеності шляхопроводом через залізницю). Задача зводилася до традиційного «колись давно будували, а потім втратили вихідну документацію», і потрібно відновити проект з похибкою в сантиметр-два.

Щоб зрозуміти, наскільки хорошу точність можна отримати в архітектурі та інженерних вишукуваннях подібного роду, ми вирішили відзняти свій 11-поверховий офіс і створити 3D-модель. В кінці роботи ми отримали модель будівлі і заміряли за нею пару вікон. Потім пішли і виміряли ці ж вікна в реальному світі — середня розбіжність було в межах сантиметра, максимум — двох.

До речі, в чомусь схожа задача була в одного з наших партнерів — потрібно було зняти кар'єр площею 470 Га і:
  1. Визначити обсяги вироблення породи.
  2. Підрахувати обсяг складу продукції.
  3. Отримати поверхню для уточнення рівня гидроотвала.
  4. Отримати 3D-модель всій території.



Частина маршрутів

Її вирішили за допомогою безпілотника, довгих цвяхів, GPS-приймача і двох пачок пластикових тарілок за 5 рублів за штуку.

Завдання і вендори

Завдання отримання 3D-моделі прототипу об'єкта або на самому об'єкту досить легко вирішується в ігровій індустрії та інших подібних сферах шляхом 3D-сканування об'єкта. У нас є свої 3D-сканери, але засунути в них щось крупніше собаки представляється досить складним. Більшість будівель, на жаль, більший собаки. Звичайно, є ще ручні сканери і промислові технології, куди можна загнати хоч вертоліт, але це все досить окрема спеціалізована область. До речі кажучи, для будівель теж придатна. Але використання фотограмметрії і безпілотників більш виграшно за часом.

У разі будівлі матмодель використовується така ж, як для сканера, але є нюанси:
  • Обидві технології припускають наявність безлічі зображень з різних точок, причому для кожного зображення є метаінформація для з розташуванням камери.
  • Сканер працює в «стерильних» умовах, тому фільтрація і підготовка зображень не потрібна. Для великих зйомок освітлення буває різним (елементарно — під час зйомки хмара закрила сонце), тому алгоритми вимагають більш явних опорних точок.
  • Зйомка інженерних об'єктів робиться звичайно з дронов, вертольотів або різних висоток, тому набір точок зйомки куди більш обмежений, і плюс нам потрібна фільтрація зображень, виконаних під час протиракетного маневру тремтіння платформи.
Принцип роботи такий: на основі метаданих фотографій і пошуку схожих фрагментів зображень будуються чітко визначені опорні точки. Як правило, це різні кути, контрастні елементи малюнків, межі об'єктів. Кожному пікселю на фотографії шукається колірна відповідність на інших фотографіях на підставі гіпотези про те, де саме буде потрібний піксель з урахуванням повороту і зміни розташування камери.



Знайдені відповідності стають ключовими точками. Якщо є хоча б три опорних фотографії, ця точка будується вже в 3D-моделі. Просторові координати триангулируются: від кожної точки зйомки до обраної точці проводяться директриси, і їх перетин дає шукане значення.


Ці площини — розрахункові плани зйомки, а в середині — крокодил. Нижче приклад, як це виглядає для будівлі.

Для покращення показника «сигнал/шум» також використовуються методи фільтрації. Найбільш популярний алгоритм Левенберга-Марквардта (або метод зв'язок) для уточнення координат точок. Потім на підставі опорних точок з деякою точністю відновлюються інші точки, і все це покривається полігонами.



Наступний крок — текстурування. 3D-модель розгортається в площину, і потім просторове положення точки ставиться у відповідність з оригінальною фотографією для завдання кольору.





Нашій задачі найбільш відповідали готові пакети Photoscan від Agisoft, Pix4Dmapper від Pix4D, ContexCapture від Bentley.

Photoscan — це російський «напівпрофесійний» пакет, який досить доступний, але з працею застосуємо на фермах. Pix4Dmapper — швейцарський продукт для обробки даних повітряної розвідки безпілотниками. Вважається одним з кращих рішень для роботи з ортофотопланами, хмарами точок і цифровими моделями місцевості. Як правило, добре «з коробки» забирає метадані з дронов. Повільний, дорогий. ContexCapture — універсальний французький продукт. Складний у конфігуруванні, але дуже зручний для роботи, тому що вміє працювати з дуже гучними даними і добре лягає на великі інфраструктури, явно промисловий. У результаті ми зупинилися на ньому.


Отримана голографічні 3D-модель на основі 290 фотографій. Її ми використовували для демонстрації 3D-столах.

Практика

В першу чергу ми почали не з будівлі, а з тестів в лабораторії. Потрібно було зрозуміти, яка кількість фотографій на складний об'єкт мінімально і досить. Виявилося, що дуже мала кількість фотографій, природно, веде до погіршення моделі (це зрозуміло інтуїтивно), але і велика кількість теж. Важливо не переборщити, тому що при істотно надмірній кількості вихідних зображень алгоритми фільтрації починають чудити і «розмивати» координати. Виливається це в нерівні контури об'єктів. Напевно це вирішується точним тюнінгом вхідних параметрів, але набагато простіше відбирати тільки відповідні зображення хорошої якості в потрібній кількості.


Тестовий крокодил

На кластері з 6 машин складний рельєф прораховувався за ніч.

У підсумку вся робота по будівлі зайняла менше одного робочого дня. Природно, отримана модель поки не може замінити опрацьовану модель, створену інженером вручну, оскільки є досить багато помилок або неточностей зображення в макеті. Звідси виросла третя задача — зробити красиво, тобто доопрацювати руками після прорахунку. Справа в тому, що ми показували результати різним людям, і вони реагували по-різному.
  1. Показуємо реконструкцію археологічної знахідки представнику музею. Реакція — просто вау.
  2. Показуємо котлован інженеру — жваво цікавиться, чи можна буде дроном літати ще зсередини будівлі (не можна, для цього правильно використовувати лазерні сканери).
  3. Показуємо будівля архітектору — в захваті.
  4. Показуємо його ж фіндиректору будкомпанії: «Що за мультяшний відстій?»
Загалом, результат на виході з розрахункового модуля не самий естетичний, хоч і досить хороший. Скажімо так, для комерційного результату на зразок презентацій архітектури точно потрібні підігнані текстури з чистими квітами і вивірені контури. Нам же для нашої задачі вимірювань вистачило і першої моделі.

Кар'єр

Поки ми експериментували з будівлею, з'ясували, що схожа задача вирішувалася вже нашими партнерами — ТОВ «Фотометр». Їх завдання було в тому, що потрібно було швидко і дешево зняти кар'єр на 4 квадратних кілометри:
  1. Визначити обсяги вироблення породи.
  2. Підрахувати обсяг складу продукції.
  3. Отримати поверхню для уточнення рівня гидроотвала.
  4. Отримати 3D-модель всій території.
Звичайно, задача обчислення об'єму складу обіцяла відмінне цивільне і не дуже застосування. Для вирішення був узятий Квадрокоптер DJI Fantom 3, 5 батарей, ноутбук і GPS-приймач для координації на місцевості. На місці вирішили розставити «маяки» для більшої точності: 470 Га взяли 24 білі пластикові одноразові тарілки, які кріпилися цвяхами-сотками. Координати кожної тарілки взяли з приймача з мінімальною можливою похибкою.


План польотів

Дув сильний вітер (близько 10 м/с) і йшов сніг. Літати було важко, тому на зйомки було витрачено приблизно 5 годин, витрачені всі 5 батарей, відзнято 27 Гб матеріалу. Загальна довжина маршруту 45 км.


Приклад зображення з відеоряду

В той же Context Capture завантажили 27 Гб відео і координати в системі WGS 84. Запустили процес обробки відео і процес аэротриангуляции. Розрахунок — 2,5 години на двоядерному офісному комп'ютері. Потім ще 28 годин на 3D-модель. Машина опрацювала в результаті 1860 фотографій і побудувала тривимірну модель всього кар'єра (470 Га). З даної моделі були отримані необхідні формати: Las (хмара точок), OBJ (текстурована модель), FBX (тривимірна графіка) і ортофотоплан. На цьому етап обробки фотоматеріалу закінчився.

Las на 1,5 Гб був переданий замовнику для порівняння результатів аерофотозйомки і класичного методу, застосовуваного на кар'єрі. На жаль, цей файл на місці у них не вийшло відкрити, оскільки AutoCAD Civil 3D при спробі його «пережувати» відмовлявся подавати хоч якісь ознаки життя. Було прийнято рішення розрядити хмара точок в 300 разів.



Підсумок — ось за цим спрощеним файлу різниця між роботою маркшейдера з тахеометром і аерофотозйомкою склали 0,5% при допуску в гірничій справі до 5% (за нормативу в залежності від обсягу).



Точність аерофотозйомки виходить вище, оскільки модель будується по поверхні з мільйонами точок, тоді як маркшейдер набирає їх значно менше. З іншого боку, 3 дні на всю роботу (або 1-2 дні при розрахунку в кластері) замість місяця, а обладнання — доступний дрон за 100 тисяч рублів, і запускався мало не з коліна.

Резюме

Раніше фотограмметрія застосовувалася в геології, топографії і археологічних розкопках. Потім — після однієї епічної зйомки розв'язки для відновлення проекту і ще кількох досъемкок для контролю стану проекту — придбала популярність в будівництві. Нещодавно фотометрію почали застосовувати в кіноіндустрії. Як бачите, дещо змінилося з 1852 року, з тих пір, як французький інженер Е. Лосседа знімав з повітряної кулі Париж.

Посилання

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.