БОКОВА Т.В. ОПТИМИЗАЦИЯ 3D МОДЕЛЕЙ И ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ 3D СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГИС

Ключевые слова: ,


БОКОВА Т.В. ОПТИМИЗАЦИЯ 3D МОДЕЛЕЙ И ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ 3D СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГИС


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
// Современные научные исследования и инновации. 2012. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/05/12333 (дата обращения: 02.06.2017).

Геоинформационные системы являются динамично развивающейся технологией, используются в различных областях, в том числе и в туризме. Существует множество способов создания трехмерных карт городов, но не все эти способы позволяют создавать быстро и качественно трехмерные карты и достоверно отображать информацию об объектах. В исследовательской работе рассмотрены наиболее оптимальные средства для создания моделей объектов для трехмерных ГИС .

ГИС нашли широкое применение в туризме, в связи, с чем возникает необходимость легко и быстро создавать и обновлять трехмерные карты городов или других туристических объектов. Преимуществом использования ГИС является возможность рассчитать и проложить маршрут.

В настоящее время разработано множество трехмерных карт городов по всему миру, в том числе и в России. У города Владимира не существует аналога трехмерной ГИС карты для обслуживания туристов.

Для решения данной задачи могут быть полезны проводимые исследования. Владимир является жемчужиной Золотого Кольца России с высоким туристическим трафиком, и поэтому возникает необходимость в создании трехмерной карты исторического ядра города Владимира с возможностью обновления и улучшить средства визуальных коммуникаций в городе. Туристы приезжают не только группами на автобусах, предоставленных туристическими агентствами, но и самостоятельно посещают в наш город на железнодорожный и авто вокзалы.

Технология трехмерного лазерного сканирования решает задачи связанные с реконструкцией, ремонтом и проектированием, а также со строительством площадных объектов с плотной застройкой и с большим количеством наземных коммуникаций. Обработка трёхмерных данных позволяет получать качественные топографические планы и точные цифровые модели.

Создание трехмерных моделей городов в последнее время становится все более популярным занятием многих ГИС-специалистов. Все больше разговоров ведется о трехмерных геоинформационных системах. Задачи, которые будут решать такие системы, все еще до конца непонятны, однако трехмерные модели городов создаются уже на протяжении более десятка лет.

Существует несколько стратегий для моделирования трехмерных объектов:

• Ручное создание моделей в программах трехмерного моделирования,

• Полностью автоматическая генерация 3D моделей,

• Полуавтоматическое создание 3D моделей.

Для моделирования трехмерных объектов были выбраны ручной и полуавтоматический методы. Объектами для трехмерной ГИС «Туристический комплекс города Владимира» были выбраны объекты, находящиеся вдоль улиц Большая Московская и Большая Нижегородская. Объекты, представляющие ценность для туристов, такие как памятники архитектуры, были смоделированы вручную.

В число выбранных объектов вошли памятники и гостиницы, торговые комплексы, рестораны и кафе и другие объекты для обслуживания.

При моделировании в Autodesk 3DStudio MAX объектов ГИС карты «Туристический комплекс города Владимира» были использовать только простые геометрические формы, булевы операции, модификаторы изменения формы объекта.

Проектирование средового объекта или сооружения различных типов включает в себя несколько особенностей. Существующие объекты, располагающиеся в городской среде, которые необходимо сохранить в неизменном виде, необходимо сканировать трехмерным сканером, и обрабатывать  полученные облака точек для получения высоко реалистичной модели. Объекты, отражающие дизайн концепцию проекта, являющиеся несуществующими, выдуманными необходимо – проектировать в системах трехмерного моделирования и затем оптимизировать. Так же для объектов, которые подлежат реконструкции или частичной реставрации, при проектировании различных форм от простых геометрических объемов до пластических форм необходимо применять ручной метод моделирования в пакетах трехмерной графики.

Существующие объекты подлежат сканированию, а проектируемые можно представить только с помощью моделирования, которое надо оптимизировать для построения 3Д модели всего объекта в ГИС.

Ручное создание моделей в программах трехмерного моделирования – самый трудоемкий способ. Модели зданий создаются в таких программах как AutoCAD, ArchiCAD, ArcGIS+3DAnalyst, 3ds Max или Google SketchUp. Моделирование геометрии и текстурирование моделей проводятся вручную. Для упрощения процесса в городской застройке выделяются наборы типовых строений. Модели создаются для каждого типа строений и затем множатся нужное количество раз при размещении на карте. Для ускорения процесса трехмерные объекты часто получают методом выдавливания зданий по их отпечаткам на плане города. Высоту, на которую выдавливается каждое здание, получают из атрибута, содержащего число этажей. Текстурирование  обычно выполняется наземными фотоснимками и изображениями из библиотек текстур. Данный метод создания 3D моделей городов является самым старым и хорошо изученным.

Следующим шагом была проведена оптимизация созданных вручную моделей. В пакете Autodesk 3D Studio MAX с помощью встроенных модификаторов Optimize и MultiRes. Оба модификатора являются недеструктивными (то есть — при удалении их из стека модификаторов полностью восстанавливается начальная геометрия объекта), оба позволяют добиться неплохих результатов. Модификаторы можно применять на группы объектов. Optimize больше направлен на работу с гранями и рёбрами, а MultiRes на работу с вершинами. При работе модификатор MultiRes более простой в обращении и более эффективный.

Рассмотрим полученные результаты оптимизации моделей вручную: с помощью модификатора Optimize количество полигонов в тестовых моделях удалось уменьшить в среднем на 60%. Вес моделей уменьшился в 2-3 раза. При дальнейших изменениях параметров начинались изменения геометрии здания.

C помощью модификатора MultiRes количество полигонов в тестовых моделях удалось уменьшить на 80% без нарушения геометрии. Но временные затраты увеличились.

Так же была проведена автоматическая оптимизация моделей, полученных с помощью пакета трехмерной графики Autodesk 3DStudio MAX. Использовался плагин Polygon Cruncher, который использует исключительный алгоритм, который дал несравнимые результаты – число полигонов уменьшалось до 92%, но значительно нарушалась геометрия некоторых созданных моделей и они частично некорректно отображались в ГИС.

Следующим шагом был проведен сравнительный анализ двух методов моделирования трехмерных объектов – с помощью трехмерного лазерного сканирования и моделирования объекта вручную с помощью программы 3D Studio MAX.

Объектом для исследования стала МАФ – памятник, установленный к 10-летию Чернобыльской катастрофы. Памятник был отсканирован трехмерным промышленным сканером Breuckmann, полученные облака точек были обработаны и оптимизированы в пакете AutoCAD Map 3D [1]. Рассмотрены преимущества использования данной технологии трехмерного лазерного сканирования и обработки облаков точек. Функции работы с облаками точек позволяют импортировать и визуализировать большое количество данных лазерного 3D сканирования.

Высокая точность измерений и максимальное соответствие между реальным объектом и его компьютерной копией, что позволяет достоверно воспроизвести все конструктивные и дизайнерские нюансы.

Данные наземного лазерного сканирования несут полную информацию об объекте. Пропусков в съёмке не бывает, т.к. сканер, по сути, не выполняет дискретные измерения, а покрывает с одной станции сканирования сплошной съёмкой целые области: 1-2 га. Трёхмерный массив точек наилучшим образом передаёт форму любого объекта.

Это значительно повышает точность и достоверность модели, позволяет отследить даже самые незначительные деформации объектов модели.

3D сканирование позволяет существенно сократить время, затрачиваемое на весь процесс моделирования. Наземное лазерное сканирование – на сегодняшний день самый оперативный и производительный способ получения точной и наиболее полной информации о пространственном объекте.

В основном лазерное сканирование решает задачи связанные с реконструкцией, ремонтом и проектированием, а также со строительством площадных объектов с плотной застройкой и с большим количеством наземных коммуникаций. Обработка трёхмерных данных позволяет получать качественные топографические планы и точные цифровые модели.

Перед началом работ лазерный сканер производит панорамную фотосъемку, значительно повышающую информативность получаемым результатов.

Плотность сканирования задаётся оператором. Например для плотной застройки с большим количеством наземных коммуникаций близким к оптимальным настройкам сканирования будут такие: 1 точка на 1 см2 на расстоянии 50 м от сканера. Соответственно на расстоянии 100 м от сканера плотность точек будет уже 1 точка на 2-4 см2. Обычно рабочий диапазон любого сканера 100-150 м. В случае если есть необходимость провести измерения на больших расстояниях, вполне может оказаться более целесообразным перенести прибор и сделать новую станцию сканирования.

Материальные затраты по сбору данных и моделированию объекта методами трехмерного наземного лазерного сканирования на небольших участках и объектах сопоставимы с традиционными методами съемки, а на участках большой площади или протяженности – существенно ниже. Даже при сопоставимых расходах на съемку, полнота и точность результатов наземного лазерного сканирования позволяют избежать дополнительных расходов на этапах проектирования, строительства и эксплуатации объекта

В результате исследования сделан вывод, что ручное моделирование и ручная оптимизация трехмерных моделей наиболее эффективна для создания единичных объектов, но при моделировании крупных объектов эффективнее применять технологию лазерного сканирования.

Актуальность исследования в том, что его результаты можно использовать для создания трехмерных моделей для ГИС. Практическим применением исследования является создание комплекса по обслуживанию туристов в историческом ядре города Владимира с разработкой туристических маршрутов и средств визуальных коммуникаций.



Все статьи автора «CrimsonR»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: