Wykorzystanie metod pomiarowych naziemnej fotogrametrii cyfrowej do inwentaryzacji 3D wnętrz budynków

Projekt badawczy własny (N526 169037) finansowany ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, realizowany w Zakładzie Fotogrametrii w latach 2009-2011 pod kierownictwem mgr inż. Bartłomieja Kraszewskiego.

Zastosowanie technik fotogrametrycznych jest obecnie wszechstronne. Posługujemy się nimi przy inwentaryzacji zabytków, tworzeniu modeli 3D miast, obserwacji obiektów inżynieryjnych, czy też kontroli produkcji. Metody naziemnego skaningu laserowego wraz z naziemną fotogrametrią cyfrową w sposób szybki i bezinwazyjny pozwalają na pozyskanie bardzo dużej ilości danych przestrzennych. Jednak pomiarowe systemy fotogrametryczne znajdują coraz to nowsze zastosowania. Jednym z nich jest modelowanie wnętrz budynków użyteczności publicznej i prywatnych. Powstające obecnie modele 3D miast w przyszłości można uzupełnić o informację o ich infrastrukturze wnętrza. Takie kompleksowe modele 3D nie tylko pomogą w pracy działów obsługi technicznej budynków, ale usprawnią planowanie akcji ratunkowych lub antyterrorystycznych.

Celowym jest przyjrzenie się możliwości zastosowania nowoczesnych technik fotogrametrycznych do inwentaryzacji wnętrz budynków wraz ze znajdującą się w nich infrastrukturą. W niniejszym projekcie badawczym własnym skupiono się nad możliwościami fotogrametrycznych sensorów obrazujących w modelowaniu pomieszczeń. Otrzymane wyniki porównano z opracowaniem wykonanym na podstawie skaningu laserowego.

Do kompleksowego opisu obiektów wewnątrz budynku nie wystarczą tylko dane przestrzenne, ale również zintegrowana z nimi baza danych opisowych. Na podstawie pomiarów i wizualizacji modeli 3D możemy uzyskać informację o kształcie, rozmiarach i położeniu poszczególnych obiektów, natomiast zintegrowana z nimi baza danych opisowych zawiera informację o wartości, czy własności przedmiotu. Dane opisowe posłużyć mogą również do wyszukiwania odpowiednich elementów przestrzennych.W ramach jednego z zadań projektu zaproponowano sposób integracji danych modelowych 3D z bazą danych opisowych.

Celem niniejszego projektu było opracowanie metodyki pozyskania danych niezbędnych do wykonania modeli 3D infrastruktury wnętrz pomieszczeń z wykorzystaniem obrazów z naziemnych kamer cyfrowych. Opracowaną metodykę porównano z alternatywną kosztowną metodą modelowania na podstawie danych z naziemnego skaningu laserowego. Założenia metody przetestowano na podstawie opracowania pomieszczeń testowych. Niezależnie, w ramach projektu opracowano metodykę integracji pozyskanych danych przestrzennych z bazą danych opisowych. Podjęte w ramach projektu badania miały na celu określenie zakresu wykorzystania fotogrametrycznych metod pomiarowych do uzupełnienia istniejących danych przestrzennych opisujących budynki.

W toku realizacji zadań niniejszego projektu badawczego opracowano:

1. Metodykę wyznaczenia parametrów modelu orientacji wewnętrznej naziemnej kamery cyfrowej. Kalibrację przeprowadzono na polu testowym 2D i 3D. Otrzymane wyniki kalibracji sprawdzono w opracowaniu testowym. Kalibracji podlegały obiektywy o trzech ogniskowych 24, 35 i 50mm.

Skonstruowane w ramach projektu przestrzenne pole testowe

2. Metodykę pomiarów infrastruktury wnętrz budynków (pomieszczeń) z wykorzystaniem metod obrazowych naziemnej fotogrametrii cyfrowej oraz naziemnego skaningu laserowego. W ramach niniejszego zadania opracowano:

Metodykę pozyskania danych obrazowych naziemnej fotogrametrii cyfrowej oraz naziemnego skaningu laserowego;
Metodykę orientacji danych fotogrametrycznych oraz naziemnego skaningu laserowego.

Zestawienie etapów pozyskania danych do modelowania 3D

3. Metodykę opracowania modeli 3D wnętrz budynków. W ramach niniejszego zadania opracowano:

Metodykę modelowania 3D na podstawie zebranych danych źródłowych;

Etapy opracowania modelu pomieszczeń z wykorzystaniem fotogrametrii cyfrowej

Etapy opracowania modelu pomieszczeń z wykorzystaniem skaningu laserowego

Metodykę teksturowania modeli wnętrz.

Pomieszczenie z teksturą nałożoną metodą kombinowaną

4. Analizę porównawczą możliwości metod fotogrametrii cyfrowej i naziemnego skaningu laserowego w inwentaryzacji 3D wnętrz budynków.
5. Metodykę integracji przestrzennych modeli wnętrz z bazą danych opisowych.

Przykładowy formularz z danymi o wyselekcjonowanym obiekcie

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że modele 3D wnętrz pomieszczeń można wykonać na podstawie obu typów danych źródłowych. Pod względem dokładności lepsze rezultaty uzyskuje się z zastosowaniem metod modelowania wykorzystujących dane z fotogrametrii cyfrowej, jednak metoda ta jest bardziej czasochłonna. Budowa modelu 3D na podstawie danych skanerowych jest mniej skomplikowana i zajmuje cztery razy mniej czasu.

Obszerny opis badań i wyników przedstawiony jest w publikacji:

Kraszewski B., 2012. Wykorzystanie naziemnego skaningu laserowego do inwentaryzacji pomieszczeń biurowych, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 23, s. 187-196.
Kraszewski B., 2011. Calibration of digital SLR Nikon D3X for the use ib digital photogrammetry projectes, Geoinformation Issues, Vol. 3, No 1, pp. 51-60.