Совместная обработка материалов аэрокосмических и наземных съемок для создания 3D моделей городских территорий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.34, кандидат технических наук Лазерко, Мария Михайловна

• Лазерко, Мария Михайловна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лазерко, Мария Михайловна

Введение

1 Анализ технических программных средств для сбора данных и создания 3D моделей

1.1 Понятие 3D модели местности

1.2 Технические средства и методы сбора пространственной информации об объектах местности

1.3 Программные продукты для создания трехмерных моделей местности

2 Разработка технологий создания 3D моделей

2.1 Анализ технологий создания 3D моделей

2.2 Разработка методики совместной обработки материалов космических съемок высокого и сверхвысокого разрешения, цифровых, аэро- и наземных съемок, а также материалов воздушного лазерного сканирования для создания реалистичных 3D моделей

2.3 Принципы формирования 3D моделей

2.4 Разработка технологических схем создания 3D моделей по различным типам исходных данных

3 Экспериментальные работы по исследованию предложенных методик создания 3D моделей

3.1 Исследование технологии создания 3D моделей по материалам космической съемки, цифровой аэросъемки и цифровой наземной съемки

3.2 Создание 3D моделей местности по материалам цифровой аэрокосмической съемки с использованием искасственных объектов созданных в AutoCAD

3.3 Технология получения реалистических 3D моделей по данным материалов лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совместная обработка материалов аэрокосмических и наземных съемок для создания 3D моделей городских территорий»

В настоящее время для представления пространственных объектов местности широко используются 3D модели, которые позволяют на экране компьютера наблюдать псевдо пространственную картину. 3D модель местности обладает гораздо более широкими возможностями, нежели ее двумерный аналог. Наглядно-образный тип мышления играет важную роль в механизмах восприятия окружающего мира и в формировании представлений о нем. Поэтому трехмерные компьютерные модели вызывают большой интерес у пользователей, и такое представление информации предпочтительнее, чем двумерное или 2,5-мерное, которое используется в традиционной картографии.

3D модели являются исключительно эффективным иллюстративным материалом, так как позволяют рассматривать модель с нескольких точек пространства. Трехмерное моделирование используется во многих областях человеческой деятельности и позволяет изучать физический объект по его аналогу — 3D модели. Например, 3D моделирование широко используется в строительстве, моделировании городских территорий, технических сооружений (например, трубопроводов), в лесном и сельском хозяйстве.

Для трехмерного моделирования обычно используются картографические материалы и ЦМР, полученные различными методами [10, 16, 38, 52, 72, 89]. Однако наиболее эффективным методом получения информации для создания 3D моделей являются данные аэрофотосъемки, космической и лазерной съемки, так как по этим данным можно получить как метрические, так и текстурные данные, необходимые для построения реальной модели [1, 5, 26, 83, 86, 90, 92, 98].

Примером 3D модели местности, сочетающей в себе наглядность и метричность, может послужить проект Google Earth, который уже имеет огромную популярность и среди специалистов, и среди обычных пользователей сети Internet [95, 96]. Проект Google Earth представляет собой пространственную модель Земли, созданную на основе спутниковых снимков высокого разрешения, по которой можно просматривать трехмерные изображения крупных городов с высоким разрешением и ЦМР. В большинстве случаев объекты ЗБ моделей данного проекта отображаются на основе использования топографических карт, высотная часть выполняется «выдавливанием» на определенную высоту, а текстура наносится определенным рисунком из заданного каталога. В то же время методы, основанные на использовании фотограмметрических способов получения информации по космическим или аэрофотоснимкам, позволяют создать реалистичную измерительную ЗБ модель местности. Однако в настоящее время методы создания ЗО моделей на основе использования фотограмметрической обработки изображений недостаточно разработаны.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является разработка математической модели совместной обработки материалов космической съемки высокого и сверхвысокого разрешения, аэросъемок и цифровых наземных съемок, а также технологических схем построения реалистичных ЗБ моделей.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ современных методов и технологий сбора обработки различных типов данных для построения ЗБ моделей;

- разработать математическую модель и методику построения реалистичных 31) моделей с заданной точностью по различным типам данных дистанционного зондирования;

- разработать методику использования данных воздушного лазерного сканирования для получения реалистичных ЗБ моделей.

Теоретическая и методологическая база исследования. В работе использованы методы цифровой обработки изображений, аналитической и цифровой фотограмметрии, а также теоретические основы построения ЗО моделей с использованием фотограмметрических методов и методов воздушного лазерного сканирования.

Информационная база исследования. Базой для выполнения работ являются выполненные ранее исследования в области цифровой обработки снимков. Исходным материалом для разработки методики являются космические снимки высокого и среднего разрешения, аэрофотоснимки и наземные цифровые снимки, а также данные воздушного лазерного сканирования.

Научная новизна. Научная новизна заключается в том, что разработана математическая модель построения реалистичных ЗО моделей, отличающаяся тем, что она основана на фотограмметрической обработке космических снимков высокого и среднего разрешения, аэрофотоснимков и материалов цифровой наземной съемки. Разработаны соответствующие методики комплексного сбора данных для построения реалистичных ЗБ моделей с заданной точностью и обеспечивающие различную детальность.

Практическая значимость. Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны методики построения измерительных ЗО моделей на основе информации, полученной по космическим снимкам высокого и сверхвысокого разрешения, цифровым аэрофотоснимкам и данным воздушного лазерного сканирования, основанные на использовании стандартных программных пакетов фотограмметрической обработки изображений и ЗО моделирования.

Разработанные методики бьши использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме «Разработка методологии аэрокосмического мониторинга природных и антропогенных объектов на региональном уровне». Номер государственной регистрации НИР: 01 2007.03297.

Основные результаты диссертации внедрены в учебный процесс СГТА и используются при изучении практического курса «Технология создания трехмерных виртуальных карт» студентами специальности «Аэрофотогеодезия». Методики переданы и используются в филиале ФГУП «Рослесинфорг» «Запсиблеспроект» для выполнения практических работ, а также в межрегиональное производственное объединение «Сибирский аэросоюз».

Основные результаты исследования: проведен анализ современных методов и технологии сбора обработки различных типов для построения ЪТ) моделей;

- разработана математическая модель совместной обработки материалов космических съемок высокого и сверхвысокого разрешения, цифровых, аэро- и наземных съемок, а также материалов воздушного лазерного сканирования для создания реалистичных ЗП моделей;

- в результате экспериментальных работ были получены реалистичные ЗБ модели по космическим снимкам высокого разрешения на отдельные участки городов Новосибирска и Екатеринбурга, а также крупномасштабные ЗВ модели по цифровым аэро- и наземным снимкам на участок территории Академгородка.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008» (апрель 2008 г., г. Новосибирск);

- Международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы» (декабрь 2009 г.);

- VI Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2010» (апрель 2010 г., г. Новосибирск);

- Международном молодежном инновационном форуме «Интерра'Ю», (сентябрь 2010 г., г. Новосибирск).

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 7 научных работах, из них 2 статьи — в изданиях, входящих в Перечень рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка, содержащего 110 наименований

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лазерко, Мария Михайловна, 2010 год

1.Ю. Новые технологии дистанционного зондирования и работы с ДДЗ / В.Ю. Андрианов// ArcReview №3 (34)

2. Аникушин, М.Н. Наземные системы лазерного сканирования. Опыт работ Текст. / М.Н. Аникушин // Геопрофи. 2005. - №1. - С. 49 - 50.

3. Алябьев А.А., Серебряков C.B., Рассказова Л.М., Нестерова О.И. Разработка технологии автоматизации создания схем Генерального плана развития территорий. — Екатеринбург: ФГУП «Уралгеоинформ», 2007. -161 с.

4. Агапов C.B. Фотограмметрия сканерных снимков. — М.: «Картгеоцентр» «Геодезиздат», 1996. - 176 е.: ил.

5. Бертлянт, A.M. Свойства визуализации как способа моделирования геоизображений Текст. / A.M. Бертлянт // Изв. ВУЗов. Геодезия и Картография 2005 - №12.

6. Богданец, Е.С. Создание трехмерной модели архитектурного объекта по данным наземного лазерного сканирования Текст. / Е.С. Богданец, А.А. Кривенко, В.В. Мусихин // Геопрофи. 2007. - №4. -С. 50 - 52.

7. Баранов Ю.Б. Рынок данных ДЗЗ в России // Пространственные данные. 2005. - №3.

8. Воробьев, Ю.Д. Построение трехмерной модели на основе кадастровой информации Текст. / Ю.Д. Воробьев, E.H. Лапина, Д.И. Бабанова // Изв. ВУЗов. Геодезия и картография. 2004. - № 3 . - С. 43 - 51.

9. Геоинформационная система «Карта 2008»;. Технология построения трехмерной модели. Редакция 2.0 Текст. — Ногинск: Панорама, 2007. — 32 с.

10. Гонсалес Р., Вудс: Р: Цифровая обработка изображений Текст. / Р. 1'онсалес, Р. Вудс. -М.:Техносфера, 2006. 1070 с.

11. Гончаренко, С. Объектная технология в AutoCAD 2000, AutoCAD Map 2000J и LandDevelopment Desktop 2000 Текст. / С. Гончаренко, М. Гуральник, С. Соколенко // CAD master. 2000: - №1. - С.ЗО - 31.

12. ГОСТ Р 52055-2003 (РФ). Геоинформационное картографирование. Пространственные модели местности. Общие требования-. -М.: МИИГАиК, 2004.

13. Гречищев, A.B. Трехмерное моделирование и фотореалистичная визуализация городских территорий Текст. / А. В.Гречищев, Бараниченко,С. Монастырев, А. Шпильман //ArcReview 2003 - №2 -С. 12 -13.t '

14. Гук, А.П. Цифровая фотограмметрическая обработка сканерных изображений / Текст. А.П Гук If Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МИИГАиК, 1991.

15. Гук, П.Д. Технология создания, карт фототопографическими методами Текст.: учебное пособие / П. Д. Гук — Новосибирск: НИИГАиК, 1990,-70 с.

16. Гершензон В.Е., Кучейко A.A. Рынок космических геоданных в 2007году // Пространственные данные. 2007. — № 2. — С.22-29.

17. Геворков В.Р. Характеристики спутников высокого разрешения // Пространственные данные. 2005. — № 3. - С.28-41.

18. Данилин, И.М. Лазерная локация Земли и леса Текст.: учеб. пособие / И.М. Данилин, Е.М. Медведев, С.Р. Мельников. Красноярск: Ин-т леса им.B.Н. Сукачева СО РАН, 2005. 182 с.

19. Доступная альтернатива AutoCAD Текст. // САПР и графика. 2008. -№5. - С. 79-80.

20. Ерзин, Э. Revit — «витамин роста» Текст. / Э. Ерзин // САПР и графика. 2008. - №2. - С. 26 - 31.

21. Журкин И.Г., Волкович Е.В., Жигалов К.Ю. Обновление картографического материала с помощью данных, полученных методом лазерной локации // Геодезия и картография. 2007. - № 5. - С.35-37.

22. Иванов В.П., Батраков A.C. Трехмерная компьютерная графика Текст. / В.П. Иванов, A.C. Батраков // Под. Ред. Г.М. Полищука М: Д. и С., 1995.-224 с.

23. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов Текст.: ГКИНП (ГНТА) 02-03610202 / Федер. служба геодезии и картографии России. М.: ЦНИИГАиК, 2002. -100 с.

24. Ишмяков, A. ArhiCAD формула архитектуры Текст. / А. Ишмяков // CAD master. - 2001. - №1. - С. 48 - 52.

25. Карпик, А.П. Особенности создания карт в среде Mapinfo Текст. / А.П. Карпик, C.B. Татаренко // Изв. ВУЗов. Геодезия и Картография.- 2002 -№5-С. 32-38.

26. Климачева, Т.Н. AutoCAD 2007. Русская версия Текст. / Т.Н. Климачева. М.: ДМК Пресс, 2007. - 488 с.

27. Кобзева, Е.А. Особенности фотограмметрической обработки космических снимков QuickBird Текст. / Е.А. Кобзева // Геодезия и Картография. 2008. - №1. - С. 37 - 44.

28. Компания Leica Geosystems GIS & Mapping объявила о выпуске ERDAS IMAGINE V8.7 Service Pack 2 и Leica Photogrammetry Suite V8.7 Feature Update Электронный ресурс.: Режим доступа: http://www.dataplus.ru/News/2005/March/ERDASsp2.htm

29. Кондратенко, Ю. RealityFlythrough ЗО-модели из 2D-данных Электронный ресурс. - Режим доступа: http://ko-online.com.ua/node/21069/.

30. Кондратенко, Ю. RealityFlythrough ЗО-модели из 20-данных / Ю. Кондратенко / /Компьютерное Обозрение.

31. Кузнецов, О.В. ГИС в городском планировании и моделировании Текст. / О.В. Кузнецов, А.И. Леонов, С.В.Наумов //ArcReview. 2001. - №3. -С.-20-21.

32. Лазерко, М.М. Использование программного продукта Google SketchUp для быстрого формирования трехмерной модели Текст. / М.М. Лазерко // Геодезия и картография. — 2010. — № 2. С. 25 - 27.

33. Лиферова, О. SurvCAD 2000 — решение для горнодобывающей промышленности на платформе AutoCAD Текст. / О. Лиферова // CAD master. 2000. - №5. - С. 30 - 31.

34. Лобанов А.Н. Аэрофототопография. — М.: Недра, 1978 437 с.

35. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. М.: Недра, 1984. - 552 с.

36. Маслаков, A.A. Моделирование сложных объектов на основе данных лазерной локации Текст. / A.A. Маслаков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2007. - №6. - С. 140 - 147.

37. Матоссян, М 3DS Мах 6 для Windows Текст.: пер. с англ / М. Матоссян М.: ДМК Пресс, 2004. - 624 е.: ил.

38. Мироненко, А.Н. О точности ортотрансформирования космических снимков ALOS Текст. / А.Н. Мироненко // Изв. ВУЗов. Геодезия и Картография. 2008 - №1. - С.ЗЗ - 37.

39. Михайлов А.П. Теоретическое обоснование требований к стабилизации носителя сканерной съемочной системы дистанционного зондирования // Известия ВУЗов. Геодезия'и аэрофотосъемка. 1990. - № 4. -С.81-84.

40. Наумов С. Виртуальные миры ERDAS IMAGINE: перспектива и перспективы Электронный ресурс. / С. Наумов. Режим доступа: http ://www.dataplus.ru/.

41. Антипов И.Т. Математические основы пространственной аналитической фототриангуляции. — М.: Картгеоцентр — Геодезиздат, 2003. -296 е.: ил.

42. Новейшие методы обработки изображений. — Под. Ред. М. Потапова. . М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2008. - 496 с.

43. Обзор программного обеспечения для трехмерного моделирования и анимации электронный ресурс.: * Режим доступа: http://www.ci.ru/informl5 03/р 08.htm

44. Обзор САПР вчера и сегодня Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nslabs.ru/software/sapr/.

45. Общие сведения о ГИС Панорама (Карта 2005) Электронный ресурс. Режим доступа: http:// www.gisinfo.ru/.

46. Основы геоинформатики Текст.: учеб. пособие для вузов: в 2-х кн. Кн. 1 / Е.Г. Капралов и др.; под ред. B.C. Тикунова. М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 352 е., [16] с. цв. ил.: ил.

47. ОСТ «Стандарт отрасли. Цифровые модели местности. Каталог объектов местности. Состав и содержание» Текст. — М. ЦНИИГАиК, 2003-115 с.

48. Павленко, A.B. Обзор существующих методов и программных продуктов создания трехмерных карт Текст. / A.B. Павленко // Вестник Сибирской государственной геодезической академии / СГГА.— 2004. Вып.9. -С. 81-85.I

49. Павленко, A.B. Разработка методики создания фотограмметрических ЗО-моделей местности по аэрокосмическим снимкам Текст.: дис. канд. тех. наук / Павленко Анна Васильевна. Новосибирск, 2006.-185 с.

50. Пелец, A. Revit — технология параметрического моделирования Текст. / А. Пелец // САПР и графика. 2008. - №10. - С. 16 - 17.

51. Петринчук, A.B. Autodesk Corp.: 30-технологии Autodesk в проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных объектов Электронный ресурс. / A.B. Петринчук. — Режим доступа: http://www.gisa.ru/.

52. Программное обеспечение AutoCAD: Офиц. сайт. Электронный ресурс. Режим доступа: www.autocad.ru

53. Программное обеспечение AutoCAD 2002 Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.specialbook.narod.ru/.

54. Программный комплекс ENVI Электронный ресурс.: — Режим доступа: http://www.gisa.ru/343O.html

55. Программный комплекс ERDAS IMAGINE Электронный ресурс.: -Режим доступа: http://www.gisa.ru/1489.html

56. Профессиональная ГИС Карта 2008 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.gisinfo.ru/.

57. Петри Г. Цифровые аэросъемочные системы / Тезисы докладов VII Международной научно-практической конференции «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии», г.Несебыр, Болгария, 17-20 сентября 2007 г. Ракурс, 2007. - С.30-33.

58. Руководство Adobe Photoshop Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.postroika.ru/drawing/kamera.htmI/.

59. САПР и жизненный цикл изделия Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.techno.edu.ru/db/msg/21384.html/.

60. Сидоркин, Е.А. Перспективы использования трехмерной цифровой топографической карты на примере г. Екатеринбурга Электронный ресурс. / Е.А. Сидоркин. Режим доступа: http://www.gisa.ru/.

61. Система PHOTOMOD 4.2. Введение. Руководство пользователя Текст. М.: Ракурс, 2007. - 71 с.

62. Система PHOTOMOD 4.2. Программа Montage Desktop. Руководство пользователя Текст. — М.: Ракурс, 2007. — 156 с.

63. Системы трехмерного проектирования объектов электроэнергетического комплекса / И. Орельяна // Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.cadmaster.ru/magazin/rubricin.cfm?iR=2/.

64. Съемка фасадов зданий на улице Большая Дмитровка Электронный ресурс. Режим доступа: http:// www.geokosmos.ru/.

65. К вопросу создания виртуальной» геоинформационной модели»: Новосибирска Текст. / В .А. Середович и др.// Информ. бюл. ГИС-Ассоциации. 2006. - №5 (57): - С. 30 - 32.

66. Текстурирование* сложной! модел® с помощью» Unwrap UVW: Электронный ресурс.- Режим доступа: http://www.3Dcenter:ru

67. Титаров, П.С. Практические аспекты фотограмметрической обработки сканерных космических снимков высокого разрешения Текст. / П.С. Титаров// Аэрофототопография.-20031 -№4.-С. 30-34.

68. Трансформирование космических снимков с использованием программного комплекса ENVI Текст.: учеб. пособие / Л;Г. Евстратова -Новосибирск: CITA, 2008. С. 41.

69. Характеристики спутниковой системы IKONOS Электронный ресурс. Режим доступа: http://\vww.scanex.com/ru/.

70. Хлебникова, Т.А. Создание трехмерной цифровой модели местности по материалам аэрофотосъемки на ЦФС для использования в SD-ГИС Текст. / Т.А. Хлебникова, Н.И. Шушлебина // Изв. ВУЗов. Геодезия и Картография. -2006.-№5.-С. 13-18!

71. Хлебникова, Т.А. Технология построения измерительных трехмерных видеосцен по данным ЦММ: проблемы и пути решения Текст. / Т.А. Хлебникова // Изв. ВУЗов. Геодезия и картография. 2008. — № 2. — С. 44 - 46.

72. Яне Б. Цифровая обработка изображений Текст. / Б. Яне. -М.Техносфера, 2007. 584 с.

73. Fraser C.S., Hanley H.B., Yamakawa T. Three-Dimensional Geopositioning Accuracy of Ikonos Imagery // The Photogrammetric Record. -2004.- № 19(106).-P.128-137.

74. Google Earth электронный ресурс.: Режим доступа: http://www.softportal.com/freesoftware/3943/google-earth

75. Google sketch up электронный ресурс.: Режим доступа: http://sketchup.google.com/

76. Kaichang Di, Ruijin Ma, Rong Xing Li. Rational Functions and Potential for Rigorous Sensor Model Recovery // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing.-2003.- №.1.

77. Michel ROUX Registration of airborne laser data with one aerial image Текст. / Michel ROUX // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Istanbul, 2004. - Vol. XXXV-А,В1 -В8, CD-ROM.

78. Qi Li Decomposition of airborne lazer scanning waveform data based on em algorithm Текст. / Qi Li //The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Beijing, 2008. - Vol. XXXVII. - Part Bl, CD-ROM.