Разведка и инженерное дело: 3D-модели зданий, развязок и карьеров по фото / Хабр

Создание 3d модели по фотографии — что включает?

Процесс создания модели, как правило, включает:

1. загрузку в программный комплекс фотограмметрических материалов (например, аэрофотоснимков);
2. определение точного положения позиций фотографии в пространстве (используются данные с GNSS приемника на БПЛА);
3. первичную предобработку снимков — вычисление связующих точек;
4. анализ полученных результатов, при необходимости создание дополнительных опорных точек для калибровки матрицы на основе результатов тахеометрической съемки, лазерного сканирования и пр.
5. построение плотного облака точек;
6. сегментирование, разрежение облака точек, построение полигональной 3D модели;
7. текстурирование — придание полигональной модели рельефности, фактурности, нужной цветовой окраски путем наложения.

В зависимости от проекта, процесс может включать дополнительные этапы, например, классификацию рельефа, если речь идет о создании 3D модели ландшафта. 

Что такое 3d модель объекта?

3D модель — объемное трехмерное отображение объекта или элементов его конструкции, построенное с помощью специального программного обеспечения на базе облака точек, содержащего в себе подробную информацию о геометрии объекта. 

Для сбора первичных данных используются :

• фотограмметрические материалы, в том числе аэрофотоснимки, полученные в результате аэрофотосъемки.
• результаты тахеометрической съемки, лазерного сканирования и прочих геодезических исследований с целью уточнения и детализации данных.

3D моделирование применимо к различным объектам:

• промышленного и гражданского строительства;
• горнодобывающей промышленности (карьеры, полигоны);
• городской инфраструктуры (промышленные, жилые районы, рельеф местности);
• транспортной инфраструктуры;
• архитектурного и археологического наследия;
• нефтегазовой промышленности.

В зависимости от конкретных задач и требований проекта трехмерное моделирование может также применяться к отдельным конструктивным элементам сооружения: фасадам, балочным системам, стенам, колоннам, перекрытиям, фундаментам. 

Задачи и вендоры

Задача получения 3D-модели по прототипу объекта или самому объекту достаточно легко решается в игровой индустрии и других подобных сферах путём 3D-сканирования объекта. У нас есть свои 3D-сканеры, но засунуть в них что-то крупнее собаки представляется довольно сложным.

Большинство зданий, увы, крупнее собаки. Конечно, есть ещё ручные сканеры и промышленные технологии, куда можно загнать хоть вертолёт, но это всё достаточно отдельная специализированная область. Кстати говоря, для зданий тоже пригодная. Но использование фотограмметрии и беспилотников более выигрышно по времени.

В случае здания матмодель используется такая же, как для сканера, но есть нюансы:

Принцип работы такой:

на основе метаданных фотографий и поиска похожих фрагментов изображений строятся чётко определённые опорные точки. Как правило, это разные углы, контрастные элементы рисунков, границы объектов. Каждому пикселю на фотографии ищется цветовое соответствие на других фотографиях на основании гипотезы о том, где именно будет нужный пиксель с учётом поворота и смены расположения камеры.

Найденные соответствия становятся ключевыми точками. Если есть хотя бы три опорных фотографии, эта точка строится уже в 3D-модели. Пространственные координаты триангулируются: от каждой точки съёмки к выбранной точке проводятся директрисы, и их пересечение даёт искомое значение.

Эти плоскости — расчётные планы съёмки, а в середине — крокодил. Ниже пример, как это выглядит для здания.

Для улучшения показателя «сигнал/шум» также используются методы фильтрации. Наиболее популярен алгоритм Левенберга-Марквардта (или метод связок) для уточнения координат точек. Затем на основании опорных точек с некоторой точностью восстанавливаются остальные точки, и всё это покрывается полигонами.

Следующий шаг — текстурирование. 3D-модель развёртывается в плоскость, и затем пространственное положение точки ставится в соответствие с оригинальной фотографией для задания цвета.

Нашей задаче наиболее отвечали готовые пакеты Photoscan от Agisoft, Pix4Dmapper от Pix4D, ContexCapture от Bentley.

Photoscan — это российский «полупрофессиональный» пакет, который довольно доступен, но с трудом применим на фермах. Pix4Dmapper — швейцарский продукт для обработки данных воздушной разведки беспилотниками. Считается одним из лучших решений для работы с ортофотопланами, облаками точек и цифровыми моделями местности.

Как правило, хорошо «из коробки» забирает метаданные из дронов. Медленный, дорогой. ContexCapture — универсальный французский продукт. Сложен в конфигурировании, но очень удобен для работы, потому что умеет работать с очень шумными данными и хорошо ложится на большие инфраструктуры, явно промышленный. В итоге мы остановились на нём.

Полученная голографическая 3D-модель на основе 290 фотографий. Её мы использовали для демонстрации на 3D-столах.

Как проводится съемка

Для геодезической исполнительной съемки используется специализированное оборудование: теодолиты, тахеометры, нивелиры и др. Проводить съемку могут только квалифицированные геодезисты. Используются разные методы: координатный, сканирование лазером, фотограмметрический и т. д. Методы можно сочетать, чтобы получить наиболее точный результат.

Этапы исполнительной съемки:

• подборка и изучение документов, карт местности;
• проведение измерений;
• разработка планово-высотного обоснования;
• камеральная обработка полученных в результате полевых работ данных;
• сравнение фактических данных с проектными.

По результатам съемки составляются чертежи и схемы, в которых отражаются требуемые в каждом конкретном случае параметры:

• точные параметры объекта;
• привязка к существующим объектам и элементам геоподосновы;
• точная разбивка и размеры по осям;
• диапазоны высот, глубин, уклонов;
• продольные и поперечные разрезы, сечения.

В отчете об исполнительной съемке есть текстовая и графические части. В текстовой указываются применяемые методы и используемое оборудование, описывается процесс съемки, сравниваются полученные фактические данные с проектными, дается экспертное заключение о соответствии объекта плану.

Исполнительная документация составляется в соответствии с ГОСТ Р 51872-2002 и Градостроительным кодексом. Документы подписывают геодезист, проводивший съемку, и главный инженер, ответственный за строительство объекта. Технический отчет об исполнительной съемке включается в состав пакета документов для постановки объекта на кадастровый учет и регистрации его в Росреестре.

Карьер

Пока мы экспериментировали со зданием, выяснили, что похожая задача решалась уже нашими партнёрами — ООО «Фотометр». Их задача была в том, что нужно было быстро и дёшево снять карьер на 4 квадратных километра:

1. Определить объёмы выработки породы.
2. Подсчитать объём склада продукции.
3. Получить поверхность для уточнения уровня гидроотвала.
4. Получить 3D-модель всей территории.

Конечно, задача вычисления объёма склада сулила отличное гражданское и не очень применение. Для решения был взят Квадрокоптер DJI Fantom 3, 5 батарей, ноутбук и GPS-приёмник для координации на местности. На месте решили расставить «маяки» для большей точности:

План полётов

Дул сильный ветер (около 10 м/с) и шёл снег. Летать было трудно, поэтому на съёмки было потрачено примерно 5 часов, израсходованы все 5 батарей, отснято 27 Гб материала. Общая длина маршрута 45 км.

Пример изображения из видеоряда

В тот же Context Capture загрузили 27 Гб видео и координаты в системе WGS 84. Запустили процесс обработки видео и процесс аэротриангуляции. Расчёт — 2,5 часа на двухъядерном офисном компьютере. Потом ещё 28 часов на 3D-модель. Машина обработала в итоге 1860 фотографий и построила трёхмерную модель всего карьера (470 Га).

Las на 1,5 Гб был передан заказчику для сравнения результатов аэрофотосъёмки и классического метода, применяемого на карьере. К сожалению, данный файл на месте у них не получилось открыть, поскольку AutoCAD Civil 3D при попытке его «пережевать» отказывался подавать хоть какие-то признаки жизни. Было принято решение разрядить облако точек в 300 раз.

Итог — вот по этому упрощённому файлу разница между работой маркшейдера с тахеометром и аэрофотосъёмкой составили 0,5% при допуске в горном деле до 5% (по нормативу в зависимости от объёма).

Точность аэрофотосъёмки получается выше, поскольку модель строится по поверхности с миллионами точек, тогда как маркшейдер набирает их значительно меньше. С другой стороны, 3 дня на всю работу (или 1–2 дня при расчёте в кластере) вместо месяца, а из оборудования — доступный дрон за 100 тысяч рублей, и запускался чуть ли не с коленки.

Когда проводится исполнительная съемка

Исполнительную геосъемку производят на всех этапах, начиная от замеров грунта перед устройством котлована и до оформления интерьеров в уже построенном здании. Количество съемок зависит от масштабов строительства, сложности проекта.

В процессе съемки определяют геометрическое положение и соответствие проекту таких частей здания:

• котлован;
• фундамент, свайное поле, подполье;
• стены, колонны;
• несущие балки;
• перекрытия;
• лестничные марши и лифтовые шахты;
• кровля;
• коммуникации – подземные и наземные;
• элементы благоустройства.

Съемка бывает промежуточной – то есть по завершении каждого этапа работ: нулевого цикла, поэтажная съемка конструкций, после установки оборудования и т. д. Этот вид геосъемки позволяет определять, насколько фактические работы соответствуют плану. Если фиксируются отклонения от проекта, то принимаются решения о их исправлении.

И только после этого можно переходить к следующему этапу строительства. А по окончании строительства всего здания проводится окончательная съемка, после которой составляется новый план местности с нанесением на него построенного объекта с указанием точных координат.

Практика

В первую очередь мы начали не со здания, а с тестов в лаборатории. Нужно было понять, какое количество фотографий на сложный объект минимально и достаточно. Оказалось, что очень малое количество фотографий, естественно, ведёт к ухудшению модели (это понятно интуитивно), но и большое количество тоже.

Важно не переборщить, потому что при существенно избыточном количестве исходных изображений алгоритмы фильтрации начинают чудить и «размывать» координаты. Выливается это в неровные контуры объектов. Наверняка это решается точным тюнингом входных параметров, но гораздо проще отбирать только подходящие изображения хорошего качества в нужном количестве.

Тестовый крокодил

На кластере из 6 машин сложный рельеф просчитывался за ночь.

В итоге вся работа по зданию заняла меньше одного рабочего дня. Естественно, полученная модель пока не может заменить проработанную модель, созданную инженером вручную, поскольку есть довольно много ошибок или неточностей изображения в макете. Отсюда выросла третья задача — сделать красиво, то есть доработать руками после просчёта. Дело в том, что мы показывали результаты разным людям, и они реагировали по-разному.

1. Показываем реконструкцию археологической находки представителю музея. Реакция — просто вау.
2. Показываем котлован инженеру — живо интересуется, можно ли будет дроном летать ещё изнутри здания (нельзя, для этого правильно использовать лазерные сканеры).
3. Показываем здание архитектору — в восторге.
4. Показываем его же финдиректору стройкомпании: «Что за мультяшный отстой?»

В общем, результат на выходе из расчётного модуля не самый эстетичный, хоть и достаточно хороший. Скажем так, для коммерческого результата вроде презентаций архитектуры точно нужны подогнанные текстуры с чистыми цветами и выверенные контуры. Нам же для нашей задачи измерений хватило и первой модели.

Преимущества метода

Преимущество 3D моделирования заключается в снижении ошибок при проектировании за счет высокой детализации данных и минимизации человеческого фактора. 

Кроме того, присутствует возможность оперативного внесения изменений в готовый проект. С помощью трехмерной модели можно легко увидеть отсутствие или неуместность архитектурной детали на фасаде здания, определить несоответствие отдельных строительных компонентов.  А также сделать все необходимые изменения практически моментально.

Использование 3D модели позволяет ускорить процесс проектирования за счет автоматизации процесса, а также деления модели на отдельные нужные доли и распараллеливания процессов. Это сокращает время выполнения заказов, повышается качество проектной документации.

Основные преимущества 3D модели при проектировании:

• снижение риска возникновения ошибок;
• оперативное внесение изменений в готовый проект;
• автоматизация, распараллеливание и ускорение процесса.

Программа для создания 3d моделей

В компании Гектар Групп обработка графических и цифровых данных, полученных в ходе полевых исследований, производится с помощью специальных программных комплексов:

• Metashape Agisoft Professional;
• ContextCapture — Bentley Systems;
• Pix4D;
• AutoCAD и пр.

В каждом конкретном случае применяется различное программное обеспечение и методики моделирования. Все зависит от типа  объекта, требований к детализации (масштабу) и прочих факторов, указанных в техзадании. 

В результате заказчик получает готовую трехмерную модель объекта и/или его конструктивных элементов, которую можно редактировать с помощью современного ПО.

Резюме

Раньше фотограмметрия применялась в геологии, топографии и археологических раскопках. Затем — после одной эпичной съёмки развязки для восстановления проекта и ещё нескольких досъёмкок для контроля состояния проекта — приобрела известность в строительстве.

Стоимость работ

Стоимость создания 3D модели зависит от:

1. типа, расположения, площади объекта;
2. сложности района исследования;
3. сроков реализации проекта;
4. требуемой детализации (масштаба), пр.

Эксперты Гектар Групп выполняют 3D моделирование объектов любой степени сложности и назначения в Москве, МО и других регионах России. 

4 причины доверить работы Гектар групп:

1. собственный автопарк БПЛА;
2. геодезическое оснащение (тахеометры, лазерные сканеры,  нивелиры, GPS-оборудование);
3. команда штатных инженеров-геодезистов с опытом работы от 8 лет;
4. использование специализированного ПО.