CC BY
78
УДК 528.7 Т.А. Хлебникова СГГ А, Новосибирск
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ ВИДЕОСЦЕН ПО ДАННЫМ ЦММ
T.A. Khlebnikova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo U1, Novosibirsk, 630108, Russian Federation
TECHNOLOGICAL PROBLEMS OF MEASURING 3D VIDEO SCENES DEVELOPMENT BY DTM
Current technologies for 3D video scenes development are considered. Digital terrain models (DTM) serve as initial data for 3D video scenes development by means of GIS. Technologies of DTM development by different initial data are offered.
For special- purpose 3D video scenes development, meant for interpretation of the objects and determination of coordinates and elevations of the points with prescribed accuracy (measuring purposes), digital relief- and terrain- objects models are used. The latter are acquired by photogrammetric technologies from aerial photography and satellite survey.
Efficiency of photogrammetric technologies is secured by high comprehensiveness and accuracy of positions data and elevations acquired from aerial-, photographic and satellite surveys as well as by high automation of modern photogrammetric devices - digital photogrammetric stations.
The conditions have been laid down for DTM development, which are to meet the requirements for further development of measuring 3D video scenes.
The main problems are discussed which one faces while developing the given technology. Some methods of solution are offered.
В конце прошлого века, т.е. несколько лет назад, информационные системы, обеспечивающие трехмерное представление данных практически были ориентированы на решение задач разработки нефтяных и газовых месторождений [1]. Это объяснялось как высокой ценой зарубежного программного обеспечения, так и средств сбора исходных данных. В настоящее время в Российской Федерации трехмерные цифровые модели начинают использоваться в различных сферах деятельности: на транспорте (наземном, морском, воздушном), для решения навигационных задач, для решения задач экологии и природопользования, в геологии и геофизике, в системе МВД и МЧС, при проектировании и прокладке подземных коммуникаций, трубопроводов различного назначения, в проектно -
изыскательских и архитектурно-планировочных работах [2].
Трехмерные модели упрощают ориентирование человека на местности, позволяют решать многие задачи для социальных структур, представлять информацию о характеристиках объекта недвижимости, обстановке и инфраструктуре окружающей местности, планировке домов как на неосвоенной, так и на застроенной территории.
Трехмерные цифровые модели представляют собой в общем случае трехмерные пространственные аналоги реальных объектов местности. Под трехмерной видеосценой будем понимать трехмерную пространственную цифровую модель местности.
В научной и технической литературе приводятся различные определения и обозначения, например: 3D-ЦММ, 3D-модели, 3D-сцены, виртуальные модели местности [3, 4, 5]. В [3, 4] «виртуальная модель местности (ВММ) - это математическая модель местности (содержащая информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных на данной территории), предназначенная для интерактивной визуализации и обладающая эффектом присутствия на местности».
Исходными данными для построения трехмерных видеосцен средствами ГИС служат цифровые модели местности (ЦММ), включающие в себя цифровую модель рельефа (ЦМР) и трехмерную цифровую модель объектов местности (ЦМО). Под ЦМО здесь понимается цифровая модель местности, содержащая информацию о плановом (координаты X, У) и высотном (по оси 7) положении объектов местности, имеющих искусственное происхождение, кроме рельефа [6].
В настоящее время существуют различные технологии создания ЦММ, основанные на использовании в качестве исходных данных следующих материалов:
1. Архивных картографических материалов в аналоговом виде или цифровых топографических карт и планов;
2. Аэрофотосъемки и космической съемки;
3. Лазерной локации и цифровой аэрофотосъемки;
4. Радиолокационной интерферометрии;
5. Материалов геодезии.
Первый вид технологии основан на сканировании диапозитивов постоянного хранения или тиражных оттисков топографических карт, планов и их последующей оцифровке, т. е. подготовке цифровых топографических карт, планов (ЦТК, ЦТП) - двухмерного изображения. Для создания ЦТК или ЦТП используются технологии, основанные на цифровании исходных материалов, представленных в виде файлов растров средствами специального программного обеспечения. Примером отечественных технологий могут служить технологии, реализованные в ГИС Панорама, ГИС Нева [7].
При наличии ЦТК или ЦТП информация дополняется кадастровыми данными (в первую очередь - высотами объектов), материалами фотосъемки (для создания текстуры фасадов строений) и другой дополнительной информацией об объектах местности. Для создания трехмерных видеосцен используется программное обеспечение специализированных ГИС или САПР
- 3D ГИС. При этом возникают проблемы конвертирования, так как в технологии используется несколько программных продуктов, информационное обеспечение которых чаще всего не согласовано.
При геодезическом методе получения пространственных характеристик объектов местности наибольшее применение на сегодняшний день находят электронные тахеометры и спутниковые системы GPS. Данные поступают в виде набора координат точек местности, которые передаются списком координат X, Y и Z в специализированные программные продукты постобработки геодезических измерений. Одновременно формируется семантическая информация.
Основным недостатком GPS-технологий является отсутствие возможности проведения измерений в густо населенных, залесенных и городских территориях. Недостатком геодезического метода сбора информации является большая трудоемкость полевых работ.
Перспективным является использование технологий наземной лазерной локации, в которых с комплектом оборудования для проведения сканирования также предоставляется специализированное программное обеспечение для автоматизации процессов обработки данных. Основным недостатком данного метода является избыточная детальность получаемой информации для решения большинства практических задач, высокие требования к вычислительной мощности компьютера, большие затраты труда, и соответственно высокая стоимость.
Также перспективным является метод создания трехмерных видеосцен по наземным снимкам, полученным цифровыми камерами.
Следует отметить, что метод трехмерной реконструкции инженерных сооружений по наземным снимкам, полученным цифровыми камерами, позволяет формировать участки небольших территорий и отдельных объектов.
Для специальных целей создания трехмерных видеосцен, предназначенных для дешифрирования объектов и определения координат и высот точек с заданной точностью т.е. измерительных целей, будут служить цифровые модели рельефа и объектов местности, полученные по материалам аэрофото- и космосъемки средствами фотограмметрических технологий.
Эффективность использования фотограмметрических технологий обеспечивается высокой информативностью и точностью определения координат и высот точек местности по материалам аэрофо- и космосъемки, а также высокой степенью автоматизации современных фотограмметрических приборов - цифровых фотограмметрических станций (ЦФС).
Для разработки технологии создания трехмерных видеосцен необходимо определить требования к исходным данным и требования к составу и точности итоговой продукции, т. е. к трехмерной видеосцене.
Определим необходимые условия при которых будут получены ЦММ, удовлетворяющие требованиям для дальнейшего создания измерительных трехмерных видеосцен:
1. ЦММ должна быть комбинированной, т.е. включать цифровую модель рельефа (ЦМР) и цифровую модель объектов местности (ЦМО), имеющих в т. ч. искусственное происхождение.
2. Масштаб залета исходных материалов аэрофото- и космосъемки должен обеспечивать создание ЦММ в диапозоне крупных масштабов.
3. Текстура трехмерных видеосцен должна быть получена по материалам аэрофото- и космосъемки.
Требования к программному обеспечению, средствами которого создаются трехмерные видеосцены:
1. Ипользуемое ПО должно обеспечивать как визуализацию трехмерной видеосцены, так и измерения точек на поверхности рельефа и на объектах местности с необходимой точностью.
2. ПО должно позволять «натягивать» растровое изображение на трехмерную видеосцену.
Рассмотрим основные проблемы, возникающие при разработке данной технологии:
1. Для получения ЦММ на современных средствах - цифровых фотограмметрических станциях предусматривается обработка материалов аэрофото- и космоснимков посредством измерения стереоскопических моделей, созданных по стереопарам цифровых снимков. Особенностями такой обработки являются:
- Выполнение измерений на дисплее, а не на фотограмметрическом изображении, как это было в оптико-механических или аналитических приборах;
- Измерительный процесс - стереоскопическое визирование является дискретным, измерительная марка перемещается по экрану дисплея с шагом равным пикселу экрана.
Исследование особенностей стереоскопических измерений на цифровых фотограмметрических приборах выполнялись и результаты наиболее полно освещены в работах [8, 9].
Вопросы точности измерений трехмерных видеосцен практически не отражены в литературе. Причина этого, очевидно, в том, что массового, широкого использования измерительные трехмерные видеосцены пока не нашли [4].
Анализ программных средств показал, что ряд программных средств не имеет функций для измерения координат точек видеосцены (нет шкалы координат или измерительной марки). В некоторых программных пакетах измерительная марка перемещается с фиксированным (заданным) шагом, что затрудняет фиксацию с необходимой точностью.
Очевидно предположить, что точность трехмерных видеосцен будет характеризоваться совместным влиянием погрешностей исходных ЦМР, ЦМО, погрешностей, привносимых выбранным алгоритмом создания цифровой модели рельефа, погрешностей выбранного алгоритма построения трехмерной видеосцены, а также параметров используемого персонального компьютера.
2. Точное в геометрическом отношении изображение местности достигается только при одинаковых горизонтальном и вертикальном масштабах изображения. Для более наглядного изображения местности допускается увеличение вертикального масштаба по отношению к горизонтальному. Выбор этого соотношения будет зависеть от назначения модели местности, горизонтального масштаба, размеров изображения и характера рельефа местности. В [10] даны значения ограниченного ряда коэффициентов для выбора вертикального масштаба при построении моделей местности с горизонтальным масштабом 1 : 50 000 и крупнее для трех типов рельефа местности. При этом возникает проблема учета ошибок, привносимых этой разномасштабностью.
3. В зависимости от назначения трехмерной видеосцены нагрузка элементов содержания и объектов будет различной. Возникает проблема определения и обоснования необходимого и достаточного уровня детализации объектового состава. Должны быть разработаны критерии отбора и обобщения для показа объектов, обязательных на трехмерной видеосцене.
Обозначенные выше проблемы не претендуют на полный их перечень. Однако, разработка технологии построения измерительных трехмерных видеосцен по данным ЦММ, полученным в соответствии с принятыми условиями, требует исследований по вышеперечисленным проблемам в первую очередь.
В СГГА начаты работы по теоретическим исследованиям и практическим экспериментам обозначенных выше проблем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коротаев М.В., Ершов А.В. Принципы создания цифровой трехмерной геологической карты нового поколения. Инф. Бюллетень ГИС № 5 (22) 1999. - С. 28-29, 30.
2. Побединский Г.Г., Еруков С.В. Использование цифровых карт для информационных систем различного назначения // Геодезия и картография. - 2006. - № 4. - С. 17-26.
3. Сборник задач и упражнений по геоинформатике: учеб. пособие для вузов/ под ред. В.С. Тикунова. - М.: Академия, 2005. - 560 с.
4. Основы геоинформатики: в 2 кн. Кн1: учеб. пособие для вузов -75 студ. Вузов / под ред. В.С. Тикунова. - М.: Академия, 2004. - 352 с.
5. Журкин И.Г., Баклыков М.А., Еруков С.В. Технология трехмерного моделирования городских территорий на основе ГИС. - Международная научнотехническая конференция, посвященная 225-летию МИИГАиК. Геоинформатика. - М., 2004. - С. 6-13.
6. Хлебникова Т.А., Шушлебина Н.И. Создание трехмерной цифровой модели местности по материалам аэрофотосъемки на ЦФС для использования в 3D - ГИС // Геодезия и картография. - 2006. - № 5. - С. 13-18.
7. Воробьев Ю.Д., Лапина Е.Н., Бабанова Д.И. Построение трехмерной модели на основе кадастровой информации // Геодезия и картография. - 2004. - № 3. - С. 43-51.
8. Книжников Ю.Ф. Особенности стереоскопических измерений на цифровых фотограмметрических приборах // Геодезия и картография. - 2005. - № 12. - С. 17-24.
9. Гельман Р. Н. Влияние размера пиксела на точность измерений цифрового снимка и построение модели // Геодезия и картография. - 2004. - № 9. - С. 30, 35-37.
10. ГОСТ Р 52055 - 2003. ГОССТАНДАРТ РОССИИ. Геоинформационное картографирование. Пространственные модели местности. Общие требования. - М.: 2003. - 4 с.
© Т.А. Хлебникова, 2008
