Tvorba 3D modelů zástavby z leteckých snímků
Radim Slováček
Institut ekonomiky a systémů řízení
VŠB – Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava – Poruba
E – mail: radim.slovacek@centrum.cz
Abstract
In this work the application was made for creating 3D models of buildings from pair of air photos.
In introduction there are presented the basics of stereoscopic perception and its improvement for elicitation three-dimensional
coordinates from pair of air photos. Next there is showed a procedure for relative and absolute orientation of this photos.
Here is description for automatic finding correspondings points by correlation. Finally was created 3D model of VŠB-TUO
complex and its visualization.
Abstrakt
V rámci této práce byla vytvořena aplikace, pomocí níž se mohou vytvářet 3D modely budov z dvojice leteckých snímků.
V úvodu jsou popsány základy stereoskopického vnímání a jeho využití pro získání trojrozměrných souřadnic z dvojice
stereoskopických snímků. Dále je uveden postup pro relativní a absolutní orientaci snímků. Je zde uvedena metodika pro
automatické hledání korespondujících bodů korelací snímků. Na závěr byl vytvořen a vizualizován 3D model areálu VŠB-TUO.
Úvod
S nástupem geografických informačních systémů vyvstává potřeba získávat informace o tvaru povrchu země. Ke sběru dat se používají základní
metody pro získání geodat, mezi ně patří klasická geodézie, letecká fotogrammetrie, radarové a laserové skenování. Vytváří se digitální modely
reliéfu i trojrozměrné modely zástavby.
Trojrozměrným modelem městské zástavby se rozumí databáze, v níž jsou uchovány jednotlivé výšky budov popř. jiných významných
nemovitých objektů a jejich prostorové umístění. Z časového a finančního hlediska nejvhodnější metodou pro získání těchto údajů potřebných
pro tvorbu tohoto modelu je získat data pomocí leteckých stereosnímků. Z těchto stereosnímků lze vypočítat prostorové umístění jednotlivých
bodů na snímcích zachycených. Měření souřadnic lze provádět přímým měřením na snímcích po jednotlivých zvolených bodech, na analogových
překreslovacích stereoplotrech nebo digitálně na počítači s příslušným technickým vybavením pro vznik stereoskopického vjemu. Nejnovějším
trendem pro získání informací o povrchu země je radarové a laserové skenování, avšak pro tento způsob měření je bezpochyby nutné velmi
drahé technické vybavení.
Dnes, v době velmi velkého rozvoje počítačů, se nejčastěji využívá digitálních metod. Na trhu je plno programových prostředků pro zpracování
stereosnímků, avšak negativní stránkou této věci je jejich velmi vysoká cena. Levnější řešení tvorby 3D modelu z leteckých snímků nabízí i
spousta společností, nicméně i tento způsob je poměrně drahý z důvodu potřebného drahého programového i technického vybavení.
Cíl práce
Tento projekt se orientoval na vytvoření aplikace, pomocí níž by bylo možné měřit trojrozměrné prostorové umístění a tvar objektů zachycených
na fotogrammetrických leteckých snímcích a tyto výsledky uložit do vhodného souboru.
Trojrozměrný model zástavby je vhodné zjednodušit tak, že budovy budou reprezentovány pouze trojrozměrným tvarem střechy,
která bude prostorově umístěná v kartografickém souřadnicovém systému a boční stěny budovy pak analogicky budou jen vertikální plochy
spojující hranu střechy a terén, na němž je budova umístěna.
V této práci jsou aplikovány matematické postupy a implementovány pro získání prostorových souřadnic objektů z leteckých stereosnímků.
Řešené úkoly
Pro zpracování snímků na počítači je nutné, aby tyto snímky byly v digitální podobě uložené v souboru některého grafického formátu. Jako
vhodný formát byl zvolen TIFF. Jelikož naskenované letecké snímky obsahují velké množství dat, musí se nějakým vhodným způsobem
nenáročným na čas navrhnout veškeré vizuální operace (zobrazování, zvětšování/zmenšování, posunování obrazu).
Dále je nezbytné pro následné zpracování snímků zadání rámových značek snímků a některých dobře rozpoznatelných vlícovacích
bodů na obou snímcích. Aby byly vypočtené souřadnice uživatelem zadaných bodů v souřadnicovém systému některého kartografického
zobrazení, musí být možnost definovat některým zadávaným vlícovacím bodům také souřadnice v tomto kartografickém souřadnicovém systému.
Je nutné zadat některé parametry v době pořízení snímků (konstantu fotokomory a rozlišení, s jakou byly snímky naskenovány).
Posledním krokem před prováděním měření je vypočítat geometrické vztahy mezi snímky (vzájemné otočení, délka fotogrammetrické
základny, popř. identifikovat chybně zadané vlícovací body).
Po tomto kroku se může provádět měření trojrozměrných souřadnic zvolených bodů. Dále pak můžeme měřit střechy budov jako polygony
(soustavu bodů). Tyto body a polygony (umístěné v souřadnicovém systému nějakého kartografického zobrazení) se budou zapisovat do souboru typu
ESRI Shapefile.
Na závěr můžeme vytvořit zjednodušený model budov areálu VŠB-TUO pomocí této aplikace a dvojice leteckých stereosnímků.
Aplikace
Po načtení dvojice snímků a zadání vlícovacích bodů a některých parametrů můžeme provádět měření objektů. Na obr. 1 je
zobrazena aplikace při měření budov VŠB-TUO.
Obr č. 1 Pohled na aplikaci
Při měření budov VŠB-TUO bylo dosaženo této přesnosti:
- střední chyba horizonálních souřadnic: 0.33 m
- střední chyba určení namořské výšky: 0.73 m
Vizualizace změřených objektů
Naměřená data si můžeme zobrazit v některých GIS programových prostředcích a dále s nimi provádět různé operace popř. jen vizualizaci.
Obr č. 2 Změřená vrstva budov zobrazena společně s DTMM
Obr č. 3 Změřená vrstva budov zobrazená společně s DMT
Obr č. 4 Scéna vytvořená v ERDAS Imagine 8.5 VirtualGIS
Závěr
Cílem této práce bylo vytvořit aplikaci, která by byla schopna pracovat s dvojicí stereoskopických leteckých snímků a pomocí níž by operátor
měřil 3D souřadnice zájmových objektů. Využívám zde některých zjednodušujících předpokladů pro vyhodnocování snímků.
Při pořízení těchto snímků nemusí být známy prvky vnější orientace, k jejichž určení je potřeba drahých gyroskopů a přímačů GPS.
Aplikace umožňuje provádět všechny zadané úkoly. Konečným výstupem aplikace je soubor ve formátu ESRI Shapefile.
Tento vektorový soubor obsahuje 3D souřadnice bodů nebo polygonů.
Jedná-li se o body, tak ty mohou charakterizovat např. umístění a nejvyšší bod budovy. Tyto body mohou být importovány do DKM.
Po sestavení topologie v některém produktu na tvorbu a údržbu GIS můžeme vytvořit digitální model zástavby. Můžeme si jej zobrazit,
provádět další zpracování atd.
Polygony již přímo charakterizující geometrický tvar a umístění střech zástavby. Tyto data si můžeme přímo zobrazit.
Tento polygonový soubor mohou využívat další aplikace pro další analýzu např. jen pro vizualizaci nebo pro stanovení kvality přístupu signálu
GPS a mnoho dalších.
Literatura
- Šmidrkal, J.: Fotogrammetrie I. Skripta ČVUT, 1975
- Murray, J.: Encyklopedie grafických formátů. Computer Press, Praha, 1995
- Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique: Real time correlation - based stereo: algorithm, implementations and application. N2013, 1993
| 
