Разработка технологии 3D-моделирования геологических объектов



Аннотация. Статья посвящена исследованию технологий трехмерного моделирования различных геологических объектов, как небольших, так и занимающих обширные территории. В работе исследованы особенности, проблемы и технологии построения 3Д-моделей объектов на основе фотограмметрии. Рассмотрены возможности использования программного продукта Agisoft Photoscan, позволяющего в полуавтоматическом режиме получать облако точек и 3Д-модели объектов на основе их двумерных фотоснимков. Ключевые слова: фотограмметрия, 3D-модель, 3D-моделирование, облако точек, ортофотоплан.

Уалханова А.Т., Денисова Н.Ф.

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева

Усть-Каменогорск, Казахстан

AUalkhanova@ektu.kz, NDenisova@ektu.kz

Крак Ю.В.

Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко

Киев, Украина

Yuri.krak@gmail.com, Krak@univ.kiev.ua

Development of technology for 3D-modeling of geological objects

Abstract. The paper is devoted to researching of 3D visualization technologies for various geological objects, small and occupying extensive territories. In the paper, features, problems and technologies for constructing 3D object models based on photogrammetry are investigated. The possibilities of using the software product Agisoft Photoscan, allowing in semi-automatic mode to receive a point cloud and 3d-models of objects on the basis of their two-dimensional photos are considered. Keywords: photogrammetry, 3D-model, 3D-modeling, point cloud, orthomosaic.

Ualkhanova Ainur, Denissova Natalya

International Technical Postgraduate School Oskemen D. Serikbaev East Kazakhstan State Technical University

Ust-Kamenogorsk, Kazakhstan

AUalkhanova@ektu.kz, NDenisova@ektu.kz

Krak Iurii

Department of Theoretical Cybernetics Taras Shevchenko National University

Kyiv, Ukraine

Yuri.krak@gmail.com, Krak@univ.kiev.ua

Введение

Восточно-Казахстанская область уникальна по своим туристическим возможностям. Большое разнообразие ландшафтно-климатических зон, наличие памятников истории и культуры обуславливает привлекательность Восточного Казахстана в плане туризма. В связи с этим популяризация геологических знаний и применение для этого современных информационных технологий, в том числе и 3D-визуализации уникальных геологических памятников будет способствовать развитию геотуризма в регионе. Поэтому весьма актуальной задачей является разработка информационно-аналитической системы на основе ГИС-технологий, учитывающих специфику геологических задач и особенности Восточно-Казахстанского региона. Интеграция геоинформационных систем с технологиями 3D-моделирования и 3D-панорамирования позволит визуализировать геологические объекты с привязкой к географическим координатам и объединять данные в единую информационно-аналитическую систему. Целью данной работы является разработка технологии построения трехмерных моделей геологических объектов, с использованием программного обеспечения, реализующего алгоритмы Structure from motion (Структура из движения) для дальнейшей их интеграции в информационно-аналитическую систему.

Построение трехмерной модели геологического объекта посредством фотограмметрии

Технология, позволяющая получить трехмерную модель геологического объекта на основе фотограмметрии, была описана в работах [1], [2]. Трехмерную цифровую модель геологического объекта можно создать с использованием фотографий, сделанных из разных точек съемки, и последующей обработкой этих фотографий с использованием программного обеспечения (в данной работе используется приложение Agisoft Photoscan). Трехмерное изображение обеспечивается наличием, по меньшей мере, двух изображений одной и той же сцены, снятой с разных позиций. Для заданного набора частично перекрывающихся изображений, алгоритмы Structure From Motion (SFM) автоматически обнаруживают набор общих точек в каждой пары изображений, а затем распознают параметры камеры для каждой фотографии. Это, в свою очередь, позволяет определить 3D-координаты каждой точки, распознаваемые как минимум двумя фотографиями и, следовательно, создать облако точек, представляющее поверхности объекта в пределах целевой сцены. По существу, перекрывающиеся фотографии должны быть взяты с нескольких точек зрения. Поэтому стоит использовать одну и ту же камеру для минимизации ошибок от использования различных объективов и датчиков камеры. Также рекомендуется устанавливать фиксированное фокусное расстояние. Фотографии также следует снимать последовательно или, по меньшей мере, при тех же условиях. Эти рекомендации гарантируют, что каждая часть сцены, представленная аналогичным рисунком пикселей на разных фотографиях, облегчает распознавание точек алгоритмами SFM. Эти процедуры обеспечивают и максимизируют распознавание точек, позволяя создавать более плотные облака точек. Однако, для получения фотоснимков геологических объектов, как правило, наземная фотосъемка представляет собой довольно трудоемкий, а порой и невозможный процесс, так как геологические объекты занимают обширные территории в несколько гектаров. В данном случае подходящим и современным решением является фотосъемка с беспилотных летательных аппаратов – дронов. Возможности использования беспилотных летательных аппаратов для отображения геологических структур описаны в работе [3]. Управление дроном можно осуществлять как вручную, так и с помощью программного обеспечения, позволяющего задавать маршруты облета и дистанционно управлять дроном с мобильного устройства. Программное управление квадрокоптером можно осуществлять с помощью следующих приложений: DJI Go, Altizure, 4dPixCapture. Таким образом, после того как были получены фотографии моделируемого объекта, можно приступать к их обработке с целью создания 3D-модели объекта. Следует отметить, что для получения качественной модели потребуется около 50-100 фотографий исследуемого объекта. Доступны различные пакеты фотограмметрии, которые имеют широкий спектр затрат, простоты установки и использования, а также возможность экспорта результатов. Agisoft Photoscan был выбран в нашем рабочем процессе из-за его удобного интерфейса, наличия академического лицензирования и инструментов, позволяющих экспортировать результаты в различных форматах. Для восстановления текстурированной 3D-модели объекта программой PhotoScan необходимо прохождение четырех этапов обработки. Первый этап – определение положений и параметров внешнего и внутреннего ориентирования камер. Результатами этого этапа являются разреженное облако общих точек в 3D пространстве модели и данные о положении и ориентации камер. На втором этапе PhotoScan выполняет построение плотного облака точек (Рис1.). На третьем этапе PhotoScan строит трехмерную полигональную модель, описывающую форму объекта, на основании плотного облака точек. Заключительный этап – Текстурирование объекта, он включает в себя наложение текстур и/или построение ортофотоплана (Рис.2).

Рис. 1. Результаты первого и второго этапа обработки PhotoScan

Рис. 2. 3D-модель и ортофотоплан

Таким образом, используя описанную технологию можно получить трехмерные модели различных геологических объектов.

Заключение

Описанную в данной работе технологию построения пространственных моделей геологических объектов на основе фотограмметрии, в том числе и алгоритмы осуществления фотосъемки с наземных фотокамер и с фотокамер, установленных на беспилотных летательных аппаратах, а также использование программного обеспечения реализующего алгоритмы Structure from motion, можно использовать, как для создания 3D-моделей геологических объектов, занимающих обширные территории, так и для создания небольших 3D-моделей объектов, расположенных или на маршруте или на объекте, например объекты инфраструктуры, памятники, палеонтологические образцы и др. Полученные описанным способом, 3D-модели и ортомозаики могут быть экспортированы в различные форматы, что позволяет интегрировать их с ГИС, например с популярной Google Earth. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение особенностей различных ГИС, выбор ГИС, наиболее применимой для интеграции элементов 3D-визуализации, разработку технологии интеграции элементов визуализации геологических объектов и ГИС.

Литература

$1.$ Tavani S. Building a virtual outcrop, extracting geological information from it, and sharing the results in Google Earth via OpenPlot and Photoscan: An example from the Khaviz Anticline (Iran)/ S. Tavani, P. Granado, A. Corradetti, M. Girundo, A. Iannace, P. Arbués, J.A. Muñoz, S. Mazzoli // Computers & Geosciences. 2014. No 63. P.44–53.

$2.$ Bistacchi A. Photogrammetric digital outcrop reconstruction, visualization with textured surfaces, and three-dimensional structural analysis and modeling: Innovative methodologies applied to fault-related dolomitization (Vajont Limestone, Southern Alps, Italy)./ A. Bistacchi; F.Balsamo, F. Storti, M.Mozafari, et al.// Geosphere. 2015, Vol. 11 Iss. 6, P.2031-2048.

$3.$ Yathunanthan V. Semi-automatic mapping of geological Structures using UAV-based photogrammetric data: An image analysis approach / Yathunanthan Vasuki, Eun-Jung Holden, Peter Kovesi, Steven Micklethwaite//Computers & Geosciences. 2014. No 69. P. 22–32.

May 16, 2018