Реалистичные трехмерные модели городов на базе космических и аэрофотоснимков

Реалистичные трехмерные модели городов на базе космических
и аэрофотоснимков
Программное обеспечение CyberCity-Modeller и база данных
Новейшие базы картографических данных городов содержат трехмерные
модели построек, предназначенные для использования в приложениях по
геоматике и реалистичной визуализации. CyberCity AG создает трехмерные
модели городов на базе аэрофото/космических снимков и данных лазерного
сканирования с учетом масштаба приложения и заданных параметров.
Даниэла Поли
Введение
В настоящее время от многих программ по геоматике требуется создание и
реалистическая визуализация трехмерных моделей городов. Сначала
состоялся переход от 2-мерного к 2.5-мерному представлению реальности с
включением моделей рельефа. Сейчас пользователи ГИС нуждаются в
описании строений как трехмерных векторных данных, что позволит им
создавать виртуальную среду, максимально приближенную к реальности.
Третье измерение дает информацию, необходимую для эффективного
моделирования стихийных бедствий (например, землетрясения и
наводнения), городского планирования и планирования охраны окружающей
среды, мониторинга строительства, а также телекоммуникационного
планирования, анализа распространения загрязнения, исследований
микроклимата и оценки безопасности.
В плане визуализации дополнительные выгоды трехмерного изображения
несравнимы с соответствующими 2-мерными планами. Перемещаясь в 3мерной модели города (см. интерактивная модель Зальцбурга, Австрия (1)),
пользователь узнает конкретный район и получает достоверные сведения об
окружающих его строениях. Реалистические модели с высоким уровнем
детализации рекомендованы к использованию в сфере туризма.
Создание сложных геометрических конструкций
Параметры точности трехмерных моделей городов, в том, что касается
геометрии и текстуры, определяются конкретным приложением и масштабом
проекта. Также важен объем памяти запоминающего устройства. В
программе CyberCity для моделирования городов созданы три вида
геометрических конструкций разного уровня сложности, см. рисунок 1: (A)
блочные модели, (В) модели с основными элементами крыши и (С) модели
крыш с дополнительными элементами. Конечно, чем больше деталей, тем
больше должно быть разрешение исходных данных.
1
Рисунок 1: Разные типы геометрических конструкций
Источниками данных могут служить стерео аэрофотоснимки, стерео пары
космических снимков и данные лазерного сканирования. На практике модели
крыш с дополнительными элементами могут создаваться на базе стерео
аэрофотоснимков масштаба 1: 9 000 или мельче, а также на базе данных
лазерного сканирования с использованием ортоснимков. Примеры
представлены на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2: Трехмерная модель города, созданная на базе аэрофотоснимков. ЛосАнджелес, район Маленького Токио. Автоматическое текстурирование на базе
аэрофотоснимков. Визуализация в режиме реального времени в VRGIS TerrainView
(ViewTec AG).
Рисунок 3: Модели крыш с дополнительными элементами, созданные на базе данных
лазерного сканирования. Трехмерная модель Бонна. Визуализация в режиме реального
времени в VRGIS TerrainView (ViewTec AG). Публикуется с разрешения топографической
службы федеральной земли Нордрайн-Вестфален.
2
Модели с основными элементами могут создаваться на базе космических
снимков сверхвысокого разрешения, которые в данный момент доступны на
рынке (размер пикселя снимков QuickBird меньше 70см). Кроме того, модели
крыш с выступающими свесами (рисунок 1, D) можно создавать, используя
одновременно данные аэрофотоснимков и планиметрические параметры
строений.
Подход, реализуемый компанией CyberCity
Обрабатывая
исходные
данные
на
полуавтоматических
фотограмметрических станциях, CyberCity создает трехмерные модели
городов на базе аэрофотоснимков, данных лазерного сканирования и
космических снимков, используя специальное программное обеспечение
CyberCity-Modeller (CCM), разработанное специалистами компании.
Моделирование предполагает выполнение следующих действий. При
использовании аэрофотоснимков и космических снимков, см. рисунок 4,
сначала по специальным правилам на фотограмметрической станции в
трехмерном режиме рассчитываются координаты основных точек
поверхности крыши, затем они импортируются в виде облака точек и
автоматически вносятся в модель. Для простых типов крыш, геометрические
связи которых представлены прямыми углами и параллельными линиями,
правилами интеллектуального измерения предусмотрено меньшее
количество точек, координаты которых требуются для создания объекта.
При таком кодировании с применением облаков точек сокращаются объемы
ручного труда, а фотограмметрическая рабочая станция автономно проводит
трехмерные измерения и создает модель.
3
Рисунок 4: Последовательность обработки данных в программе CyberCityModeller.
Система кодирования
Облако точек
 Автономность
используемых
ЦФС
 Сокращение
ручного труда
CyberCity-Modeller™
Цифровая
фотограмметрическая
станция
Облако точек (x, y, z)
Контроль
качества
Моделирование крыш
+DTM
Моделирование стен
Уточнение
геометрии
3D модель
города
Текстур-ние
крыши
Текстур-ние
фасада
Системы
CAD
(Форматы:
DXF и др.)
Визуализация
(Форматы:
FLT, VT и др.)
ArcGIS 9
(Shape,
PGDB,
ArcSDE)
Стены зданий образуются пересечением вертикалей из вершинных точек
крыш с цифровой моделью рельефа (DTM) или моделируются путем
рирпроекции (back projection) параметров строения, занесенных в
кадастровую базу данных. В последнем случае крыши с выступающими
свесами моделируются автоматически. Специальные модули, отвечающие за
контроль качества, позволяют уточнить геометрию, ликвидировать
неточности измерений, это касается прямых углов, параллельных линий,
плоских поверхностей и корректировки перекрытий и разрывов.
Также можно ввести геометрические параметры площади и объема и
рассчитать их автоматически для любого объекта. Более подробная
техническая информация представлена в (3).
Точность трехмерных моделей определяется масштабом снимка (зависит от
высоты полета) и составляет, например, около 0.1-0.2м для масштаба 1:5 000.
4
Что касается космических снимков, то ССМ обрабатывает данные
ориентирования в формате RPC (коэффициенты рациональных полиномов) и
проводит корректировку, используя функции смещения, вращения и
линейные функции.
Текстурирование крыш и фасадов
В программе ССМ крыши текстурируются автоматически с использованием
аэрофото-, орто- или космических снимков. Фасады текстурируются тремя
способами в зависимости от имеющихся данных и требуемого уровня
изображения, см. рисунок 5.
Рисунок 5: Методы текстурирования фасадов: унифицированное
автоматическое (automatic) и наземное (terrestrial) текстурирование.
(generic),
Если нет нужных данных (аэрофотоснимков или наземных снимков), то
модель фасада можно выбрать из имеющегося набора наиболее подходящих
текстур. Таким способом можно автоматически моделировать целые группы
фасадов, но они не будут реалистичными.
Другой способ состоит в переносе текстур фасадов с аэрофотоснимков,
прошедших фотограмметрическую обработку, или с панорамных (oblique)
аэрофотоснимков высокого разрешения. Если данные ориентирования не
известны, то в этом случае панорамные аэрофотоснимки ориентируют путем
измерения шести связующих точек в стерео режиме и на каждом снимке.
Как только данные ориентирования становятся известны, программа
автоматически проецирует фасад или многоугольник на снимки. Из
имеющегося набора текстур программа подбирает для конкретного фасада
модель, наиболее подходящую по числу пикселей и степени перекрытия
соседними зданиями. Если текстура, автоматически выбранная программой,
не совсем удовлетворяет пользователя, то он может в интерактивном режиме
просмотреть и соотнести с конкретным фасадом текстуры с других снимков
и выбрать наиболее оптимальный вариант.
Удаление ненужных элементов или корректировка радиометрических
параметров изображений фасадов выполняются в специальном модуле
5
обработки, редактирования и ретуширования изображений. Внесенные
изменения можно просмотреть в интерактивном режиме. Благодаря высокой
степени автоматизации этот метод позволяет в короткие сроки создавать
крупномасштабные трехмерные модели городов с реалистичной текстурой.
Ещё один метод моделирования фасадов с наиболее реалистичной текстурой
– это картографирование вручную наземных снимков высокого разрешения и
качества.
Качество
получаемого
изображения
очень
высокое.
Ориентирование снимков осуществляется путем соотнесения поверхности
многоугольника из трехмерной модели с соответствующими угловыми
точками на снимках. Для получения фасадной текстуры хорошего качества
изображения автомобилей, деревьев и людей ретушируются.
Конкретный пример
К числу последних достижений CyberCity относится создание трехмерных
моделей городов на базе космических снимков QuickBird, имеющих высокое
разрешение. Модель делового района в городе Финикс, Аризона, была
создана на базе стерео пары QuickBird, предоставленной компанией Eurimage
S.p.A, Италия (1).
В набор данных входили два стерео снимка города Финикса, Аризона,
цифровая модель рельефа DTED2 и 30 опорных точек, координаты которых
были получены в ходе проведения топографической съемки. Снимки были
сделаны 9 апреля 2004г., углы обзора 29° (вперед) и -27° (назад). Среднее
разрешение на местность – 70см. На снимках дешифрируются небоскребы и
жилые дома. Вид одного из зданий показан на рисунке 6.
Рисунок 6: Объекты на снимках QuickBird (предоставлены компанией Eurimage S.p.A).
После ориентирования снимков точки крыш (roof points) в деловом районе
города распределились на площади около 2 квадратных километров. Эти
точки были измерены в стерео режиме и трансформированы в трехмерные
объекты в программе ССМ. Текстурирование крыш выполнялось
автоматически с использованием исходных снимков QuickBird. Поскольку на
6
снимках не были видны фасады зданий, а другие данные отсутствовали
(панорамные аэрофотоснимки, наземные снимки), некоторые фасады были
текстурированы по образцам, имеющимся в наборе ПО.
Для визуализации изображения использовалась программа TerrainView
компании ViewTec (ViewTec, 2006). На рисунке 7 представлен снимок
экрана с созданной трехмерной моделью.
Рисунок 7: Трехмерная модель города Финикса, Аризона. Создана и текстурирована с
помощью комплекта программного обеспечения CC-Modeler. Визуализация в режиме
реального времени в VRGIS TerrainView (ViewTec AG). Публикуется с разрешения
компании Eurimage, Италия.
Области применения
Текстурированные трехмерные модели городов могут экспортироваться в
нескольких форматах и применяться в разных программах в зависимости от
назначения:
 ГИС: созданные компанией CyberCity трехмерные модели городов
можно экспортировать как шейп-файлы в программный комплекс
ESRI ArcGIS9. Кроме того, их можно хранить в географической базе
данных PGDB (Personal Geodatabase) и коммерческих базах данных,
таких как Oracle или Microsoft SQL Server с соединением ArcSDE.
Трехмерные
данные
представляют
дополнительный
слой,
используемый
для
углубленного
географического
анализа,
моделирования чрезвычайных ситуаций, анализа микроклимата или
обеспечения национальной безопасности.
 Визуализация в режиме реального времени: модели можно
экспортировать в формат Open Flight (FLT), поддерживающий разные
уровни детализации (LOD) текстур и геометрии. Уровень
геометрической детализации обозначается символом (LOD 1), блочная
модель с плоской крышей – (LOD 2), модели с основными элементами
крыши – (LOD 3), а модель крыши с дополнительными элементами,
7
например, слуховыми окнами и печными трубами, - (LOD 4).
Скорость визуализации можно увеличить с помощью аппаратных
форматов ускоренного текстурирования. Для отображения рельефа
рекомендуется использовать не стандартные, а истинные (true)
ортоснимки, в этом случае вы не увидите крыши зданий на земле
рядом с трехмерными моделями;
 Строительство и архитектура: инженеры и архитекторы могут
визуализировать строения и городские территории, а также
моделировать новые объекты в формате DXF и CAD.
Глобальная база данных
Кроме моделирования городской среды компания CyberCity занимается
формированием базы данных трехмерных моделей крупнейших городов
мира. Любой пользователь в области геоматики сможет приобрести
трехмерную модель интересующей его территории.
Для создания очень подробных и точных моделей компания CyberCity
использует аэрофотоснимки масштаба 1:8 000 и мельче, точные параметры
аэротриангуляции и цифровые модели рельефа. Фасады текстурируются на
базе (панорамных) аэрофотоснимков и наземных снимков.
База данных CyberCity включает или в ближайшем будущем будет включать
модели Лос-Анджелеса, Сан Диего, Лас Вегаса, Парижа и Барселоны. Будут
создаваться модели и других городов. Подробные трехмерные модели таких
значимых сооружений, как стадионы, церкви и памятники, создавались на
базе лидарных данных. В настоящее время ряд объектов на территории
Германии моделируется совместно с Harman/Becker Automotive Systems.
Трехмерный объект: Модель Бранденбургских ворот, созданная на базе лидарных данных
и текстурированная на базе цифровых снимков высокого разрешения. ©2006
Harman/Becker Automotive Systems GmbH, CyberCity AG.
Ссылки
(1) Eurimage S.p.A: http://www.eurimage.com
(2) Salzburg 3D: www.viewtec.ch/techdiv/tvocx/salzburg.html
(3) Ulm, K., 2003. Reality-based 3D city models with CyberCity-Modeler (CCModeler) and laserscanner data. VI Conference on Optical 3D Measurement
8
Techniques – Gruen/Kahmen (Eds), Vol.2 pp.32-39, September 2003, Zurich,
Switzerland. – Ульм, К., 2003. Реалистичные трехмерные
модели городов, созданные с помощью программы CyberCity-Modeler
(CC-Modeler) на базе данных лазерного сканирования. VI конференция:
оптические трехмерные методы измерения – Груэн/Камен (Эдс), 2, стр.3239, сентябрь 2003, Цюрих, Швейцария.
Даниэла Поли ([email protected]) – старший консультант,
фотограмметрии и ГИС, компания CyberCity AG, Цюрих.
Более подробная информация:
CyberCity AG – Цюрих - www.cybercity.tv
CyberCity LLC – Лос-Анджелес – www.cybercityllc.com
отдел
9