Трехмерное моделирование по данным воздушного лазерного сканирования

На основе данных от лазерного сканирования создают топографические карты, трехмерные модели, цифровые изображения рельефа и территорий. Эта технология широко применяется в нефтегазовом секторе для наблюдения за трубопроводами, проектирования новых сооружений, контроля над резервуарами. В угольной отрасли она помогает в разработке новых карьеров, расчете добытых ресурсов и контроле геометрии стен карьеров, чтобы предотвратить обвалы. В строительстве технология используется для создания трехмерных моделей зданий и планирования реставрационных работ культурных памятников 

На данный момент существует множество систем для воздушного лазерного сканирования (далее – ВЛС), но все они состоят из платформы носителя – беспилотного летательного аппарата (далее – БПЛА), снабжённого приемником глобальной навигационной спутниковой системы (далее – ГНСС приемник) и инерциальными системами навигации. А также воздушным лазерным сканером (далее – лидар), имеющим собственную инерциальную систему навигации, и встроенную фотокамеру.

В этой работе были применены три метода вписывания геометрических примитивов: автоматический, полуавтоматический и интерактивный.

В автоматическом методе проводится анализ точечной модели в районе выбранной точки, что позволяет внедрить геометрический элемент в облако точек

Вместе с автоматическим режимом возможно применение полуавтоматического режима, который отличается ручным выбором массива точек. С использованием инструмента «Выбор точек» определяется набор точек, относящихся к моделируемому элементу. Аналогично автоматическому режиму выбирается тип примитива и встраивается в выделенный массив точек.

При недостаточном качестве точек или их отсутствии рекомендуется применять интерактивный способ создания геометрического элемента. В инструментальной панели следует выбрать функцию «Вставка» и установить нужный тип геометрического элемента. Это может быть многоугольник, цилиндр, сфера или торус. Путем перетаскивания углов можно растянуть созданный элемент на всю поверхность стены. С помощью инструмента «Поворот» или «Поворотных ручек» можно корректно разместить объект в облаке точек.

Примером применения данного метода будет создание оконных проемов в сформированных стенах, для этого необходимо выделить область для вырезания. Используя инструменты «Выбор точек» и «Создать объект на основе выбора», следует сформировать полилинию. Выделив эту полилинию и поверхность стены, применив инструмент Substract From Patch, чтобы вырезать область в пределах полилинии на указанной поверхности.

Окно состоит из рамы и стекол, однако качество сканирования позволяет определить лишь местоположение углов оконного проема на стене. Исходя из этого, необходимо моделировать окно в ручном режиме. Вдоль контуров оконных рам на стенах формируется полилиния, подобно процессу выделения проемов. Далее с помощью инструмента «Create object from Curves» формируется плоскость. Из созданной плоскости вырезается два четырехугольника, это будут стекла.

При помощи инструмента «Extrude Perpendicular» придается объем созданной поверхности рамы окна (рис. 3).

Рисунок 3 - Результат придания объёма оконной раме

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.79.3

На основе задних угловых точек внутри сформированного объекта создаются поверхности, имитирующие стекла, для этих поверхностей с помощью инструмента «Edit Color/Material» задается прозрачность и цвет. Аналогично выполняется построение остальных частей трехмерной модели.

Для анализа результатов в качестве примера было взято смоделированное здание. Промеры геометрических размеров этого здания проводились на основе построенной модели, облака точек из лазерного сканирования и плотного облака точек, созданного на основе аэрофотоснимков. На (рис. 4) представлены места замеров. Полученные данные представлены в табл. 1.

Рисунок 4 - Места замеров крыши здания (вид сверху)

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.79.4

На основе трех замеров для каждого отдельного участка было подсчитано СКО, из результатов видно, что максимальное СКО составило 21 см, при этом наибольшая разность находится между построенной моделью и облаком точек. В среднем разница между промерами по облакам точек составляет от 5 до 8 см.

На (рис. 5) схематически изображены места замеров стен здания у основания. На основе измеренных расстояний было подсчитано СКО. Полученные данные представлены в табл. 2.

Рисунок 5 - Места замеров стен здания

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.79.6

На основе трех замеров для каждого отдельного участка здания было подсчитано СКО. Максимальное СКО в данном случае составило 34,4 см, соответственно разница между облаками точек лазерного сканирования и построенным по аэрофотосъёмке небольшая

На рисунке 6 представлены облака точек лазерного сканирования и построенные по аэрофотоснимкам.

Рисунок 6 - Визуальное сравнение качества облака точек:

a - облако точек лазерного сканирования; б - облако точек, построенное по аэрофотоснимкам

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.79.8

Как видно из сравнения, данные воздушного лазерного сканирования имеют меньшую плотность, но расположены на вертикальных поверхностях объекта равномерно, тогда как в облаке точек построенном по аэрофотоснимкам точки расположены обрывисто, что снижает качество данных и усложняет моделирование в автоматическом режиме. Места, которые закрыты растительностью, практически не отображаются в облаке точек лазерного сканирования. При обработке аэрофотоснимков все точки, относящиеся к растительности фильтруются и удаляются, но при этом можно заметить, что объекты, находящиеся за растительностью отображаются лучше, чем на данных лазерного сканирования.

Системы воздушного лазерного сканирования становятся доступнее для пользователей, они обеспечивают высокую точность измерений, и упрощают обработку данных, тем самым сокращая временные затраты на полевые работы. Данные ВЛС могут применяться в широком спектре работ, в том числе и при создании трехмерных моделей зданий и сооружений городской застройки.