Aplicación de Image RTK en el modelado 3D de edificios antiguos

Modelado 3D de construcción - vRTK

La arquitectura antigua es un testimonio de la civilización humana y su historia. Es una parte integral de nuestro patrimonio cultural, pero desafortunadamente, debido al deterioro natural causado por factores geográficos, se está desvaneciendo lentamente. Sin embargo, con la llegada de la tecnología 3D, ahora podemos recrear algunas de estas grandes obras con gran detalle. Esta tecnología no sólo nos permite proteger mejor las estructuras antiguas de un mayor deterioro, sino que también las preserva para la posteridad.

antecedentes del proyecto

A petición de un cliente, el estudio UAV y la Escuela de Arquitectura e Ingeniería de una escuela en la provincia de Hunan, China, llevaron a cabo un trabajo de modelado 3D preciso en dos sitios históricos importantes: la antigua residencia de Huang Xing y la antigua casa de Xu Guangda. El primero está catalogado oficialmente como una importante unidad de protección de reliquias culturales que cubre un área que alcanza los 6,45 acres. Por otro lado, Xu Guangda también es conocido por ser un erudito influyente durante su vida que dejó muchas obras valiosas hasta el día de hoy. A través de los resultados de nuestra investigación obtenidos mediante fotografías aéreas de alta definición combinadas con análisis de datos de tecnología de detección remota terrestre que se recopilan utilizando vehículos aéreos no tripulados (UAV), esperamos comprender mejor sus historias en generaciones posteriores y al mismo tiempo preservar su herencia cultural para propósitos de estudios futuros.

Análisis de puntos débiles

El modelado 3D tradicional a menudo se basa en datos recopilados a partir de fotografías de inclinación de vehículos aéreos no tripulados; sin embargo, este método tiene sus propias limitaciones que no satisfacen las necesidades del modelado de construcción fina. En primer lugar, debido a problemas de ángulo y distancia, no puede capturar una textura lo suficientemente detallada para la fachada. En segundo lugar, muchos edificios tradicionales tienen aleros anchos que pueden ser difíciles o imposibles de capturar mediante fotografía inclinada de un UAV. En tercer lugar, la obstrucción de los árboles alrededor del edificio impide que la fotografía inclinada del UAV capture completamente la textura de la fachada del edificio.

Para compensar algunas de estas deficiencias del método de modelado de fotografía de inclinación de los UAV, comúnmente se utilizan métodos complementarios, como controlar manualmente el UAV para tomar fotografías adicionales de las fachadas y los detalles de los edificios, pero incluso entonces siguen existiendo desafíos debido a su naturaleza limitante. para estructuras altas o grandes con suficiente espacio libre alrededor de los edificios. La antigua residencia en este proyecto es una casa de un solo nivel y hay árboles altos alrededor, por lo que se ha identificado que este método tiene mayores riesgos de seguridad que otros métodos disponibles. Por tanto, no es adecuado para su uso. Otro método consiste en tomar fotografías adicionales del edificio, como la fachada del edificio residencial y los detalles, manualmente en el suelo utilizando una cámara normal. Sin embargo, este método también plantea dificultades adicionales a la hora de integrar las fotografías comunes y aéreas en la etapa de posprocesamiento, ya que no hay datos de posición POS precisos en las fotografías comunes ni faltan capas y superposiciones efectivas con las fotografías aéreas; además, la resolución y el CMOS El tamaño del punto de imagen entre las cámaras normales y las cámaras de reconocimiento aéreo son diferentes. Por lo tanto, este método no es aplicable.

Esta limitación de los métodos tradicionales de modelado 3D ha llevado a expertos de la industria a explorar alternativas para el modelado fino de edificios.

Programa de implementación

La tarea adopta el sistema de procedimiento colaborativo de Hi-Target vRTK + UAV para refinar modelos 3D. Aplicamos fotografía de inclinación UAV para obtener imágenes del techo y elevación, y vRTK para tomar imágenes de la fachada del edificio. Luego, fusionar los resultados de la aerotriangulación, que se obtienen del cálculo separado de la aerotriangulación, para el modelado 3D directamente.

El beneficio más significativo de esta solución es que las imágenes tomadas por vRTK, un GNSS RTK con tecnología de posicionamiento de imágenes, contienen datos POS precisos (precisión de nivel RTK), pero también comparten el mismo sistema de coordenadas y no es necesario establecer puntos de conexión o puntos de control de imagen al calcular la aerotriangulación.

Este método reduce la carga de trabajo y hace que el trabajo de oficina sea más fácil que antes.

Flujo de trabajo

1. Aplicación física

1）Fotografía de inclinación UAV

Aplicación del método de fotografía con inclinación de cinco direcciones cuando se utiliza un UAV de marca china para fotografía aérea con inclinación.

2) Fotografía de corto alcance desde tierra vRTK

Usar vRTK para tomar fotografías en primer plano de las paredes de los edificios que deben capturarse enfocadas, así como de las superficies ocultas por los árboles.

El método de disparo generalmente consiste en tomar una fachada como objeto y realizar los disparos de manera que las imágenes vecinas se superpongan, la colocación de la cámara con distancias cercanas y lejanas y la vista se pueda inclinar. como se muestra a continuación.

En el proceso, la fotografía terrestre de corto alcance Hi-Target vRTK para tomar imágenes adicionales debe compartir el mismo sistema de coordenadas y sistema de elevación con la fotografía de inclinación del UAV. En este proyecto se utilizan el geoide, el Sistema de coordenadas geodésicas de China 2000 y la estación base CORS de China Mobile. Después de dos horas de funcionamiento, el técnico completó el conjunto de datos físicos de las dos antiguas viviendas.

2. Procesamiento de datos

Las fotografías aéreas recopiladas por el UAV y las fotografías en primer plano del edificio recopiladas por Hi-Target vRTK se procesan mediante aerotriangulación respectivamente, y todos los resultados de la aerotriangulación se combinan para el modelado 3D en la última etapa. Se necesitan un total de dos horas para procesar todos los datos.

Resultado

A través del modelo 3D generado, se puede observar que las imágenes adicionales tomadas por el vRTK mejoraron en gran medida la textura de la fachada del edificio y complementaron los miembros faltantes del alero y la sombra de los árboles que faltaban en el modelo de fachada del edificio mediante la fotografía de inclinación del UAV.

En comparación con el modelo 3D generado únicamente a partir de la fotografía de inclinación del UAV, el modelo 3D generado esta vez puede mostrar claramente la estructura detallada del edificio, y tanto los elementos arquitectónicos en la fachada, debajo de los aleros y los árboles, como los elementos culturales que sostienen el edificio se puede exhibir finamente para satisfacer las necesidades del proyecto.

Resumen del proyecto

A través de la implementación de este proyecto, se pueden extraer las siguientes conclusiones.

(1) El método de aplicar Hi-Target vRTK para compensar los disparos desde tierra, junto con la fotogrametría UAV, mejora enormemente la eficiencia del trabajo. Se necesitan sólo dos horas para completar un área total de 8,07 acres de la recopilación de datos de campo de las dos antiguas residencias.

(2) Las fotografías Hi-Target vRTK con datos POS comparten el mismo sistema de coordenadas que las fotografías aéreas del UAV, lo que permite el modelado interno sin utilizar puntos de conexión y fusiona directamente los resultados de la aerotriangulación para el modelado, lo que simplifica el proceso de operación interna y reduce la carga de trabajo del industria interna y mejora la eficiencia del procesamiento interno al tomar solo 2 horas para completar la construcción del modelo refinado.

(3) Los parámetros relacionados entre UAV y Hi-Target vRTK son similares y no causan grandes diferencias en la resolución de la imagen, por lo que la fusión del modelado es sólida y el modelo 3D generado es natural y fino.

(4) Las fotografías desde el suelo tomadas por Hi-Target vRTK complementaron y mejoraron los detalles locales y las texturas del edificio de manera efectiva y resolvieron el problema de obtener las texturas del edificio debajo de los aleros y oscurecidas por los árboles.