MikroKods

Ģeotelpiskās informācijas
un tālizpētes tehnoloģijas

Par Mums Aktualitātes Programmatūra Pakalpojumi Apmācība Mērniekiem Būvniekiem Pašvaldībām Tālizpēte Jautājumi un atbildes Sadarbība

3D modelēšana

REALITĀTES 3D MODELĒŠANA UN TĀS PIELIETOJUMI

Realitāte ir tikai ilūzija, kaut arī ļoti noturīga.
Alberts Einšteins
Šis Alberta Einšteina izteiciens ir ļoti bieži citēts, it īpaši interneta vidē, lai gan daudzi apšauba tā autentiskumu – līdzīgas domas par telpu un laiku ir sastopamas daudzās dižā zinātnieka publikācijās, bet ne tieši šādā kontekstā. Tomēr minētais izteiciens diezgan trāpīgi raksturo mūsu subjektīvo uztveri par to, kas ir ap mums – reālo pasauli. Jau no seniem laikiem cilvēki ir centušies izzināt šo pasauli ar objektīvu mērījumu palīdzību un šo mērījumu attēlošanu grafiskā formā – kā kartes un plānus, kas papildināti ar skaitlisku un aprakstošu informāciju. Šis reālās pasaules atspoguļojums parasti ir divās dimensijās, t.i., plakans, ko noteica informācijas iegūšanas, glabāšanas un apstrādes tehniskās iespējas.
Pēdējos gadu desmitos modernās mērīšanas metodes mūs nodrošina ar iespējām samērā vienkārši veikt mērījumus trijās dimensijās un savukārt datoru pielietošana ļauj šo mērījumus glabāt un attēlot telpiskā reprezentācijā – kā virtuālu realitāti. Tomēr vairumā gadījumu šī reprezentācija ir realizēta ļoti vienkāršu modeļu veidā, kuru izskats ir tikai attāli līdzīgs detalizētai patiesai realitātei. Lai raksturotu šo līdzību, izmanto jēdzienu “detalizācijas līmenis” (Level of Details – LoD), kuru standartizē dažādiem pielietojumiem. Attēlā kā piemērs ir parādīti detalizācijas līmeņi, ko nosaka datu apmaiņas un glabāšanas standarts CityGML.
Image001
Tālākā uzmērīšanas tehnoloģiju attīstība pēdējā desmitgadē mums ir devusi iespējas atsevišķu mērījumu vietā iegūt masveida datus par reālo pasauli, kas ļauj šo pasauli attēlot datorizētā vidē ar tādu detalizācijas pakāpi, kas jau ir salīdzināma ar pašu reālo vidi. Šīs mērīšanas metodes ir ieguvušas apzīmējumu “realitātes iegūšana” (Capturing Reality), kas faktiski nozīmē realitātes detalizētu dokumentēšanu. Šobrīd datu iegūšanai par reālo vidi galvenokārt pielieto divas metodes – 3D lāzerskenēšanu un modernizēto fotogrammetriju. Pirmā metode izmanto aktīvo sensoru - lāzeru, bet otrā – pasīvu sensoru – fotokameru.
Lāzerskenēšana, kuru pēc analoģijas ar labi pazīstamo radara tehnoloģiju sauc arī par lidara tehnoloģiju (LIght Detection And Ranging - LIDAR) ir attālumu un leņķu mērīšana ar apvidu vai telpu skenējošu lāzera staru, kas dod miljoniem telpisku lokalizētu punktu – punktu mākoni. Tā ir tieša mērīšanas metode.
Image004
Modernā fotogrammetrija analizē reālās vides attēlus, kas ir uzņemti no vairākiem skatu punktiem, un automātiski detektē pikseļus attēlā, kuri atbilst vienam un tam pašam fiziskam punktam. No daudzām šādām atbilstībām nosaka attēlu relatīvo orientāciju un fotografēto objektu 3D formu. Tā ir netieša mērīšanas metode.
Image006
Abām metodēm ir savas stiprās un vājās puses. Lāzerskenēšana vispārīgā gadījumā dod augstākas precizitātes mērījumus un nav nepieciešami labi apgaismojuma apstākļi, bet tai ir ierobežots attāluma diapazons. Savukārt fotogrammetrija ir pieejamāka, jo neprasa pielietot dārgu aparatūru – datu iegūšanai pietiek ar parastu kompaktkameru, kuru var lietot uzņemšanai no zemes, kā arī kopā ar mehāniskiem palīglīdzekļiem, no kuriem šobrīd lietošanai ērtākie ir bezpilota lidaparāti - droni. Tieši modernās fotogrammetrijas pieejamība plašam lietotāju lokam ir apstāklis, lai tai pievērstu lielāku izmanību.
Modernās fotogrammetrijas pieejamību nosaka tas, ka tā ir lielā mērā automatizēta, ietverot gan uzņemšanas plānošanu, gan tās veikšanu un iegūto datu apstrādi.
Image007
Uzņemšanas plānošana ir ļoti svarīgs etaps, lai nodrošinātu pietiekamu iegūto attēlu pārklājumu un informatīvo saturu attiecībā uz apvidus objektiem. Uzņemšanas plāni lielā mērā ir atkarīgi no reālās vides vai fizisko objektu īpatnībām: klajš apvidus ar reljefu, teritorijas ar blīvu veģetāciju (mežs), apbūvētas teritorijas, atsevišķas būves, lineāri koridora objekti (ceļi, dzelzceļi), augsti vertikāli objekti (torņi, skursteņi, masti), iekštelpas. Katram objekta tipam ir jāizvēlas piemērotākais plāns un tā parametri, no kuriem svarīgākie ir attālums līdz objektam vai lidojuma augstums, pārklājuma lielums starp blakus attēliem un kameras orientācija. Plānošanas procesa veikšanai uzņemšanai ar dronu ir noderīgas tādas programmas kā Pix4Dcapture, DroneDeploy u.c. Šīs programmas nodrošina arī drona lidojuma automātisku vadību vienkāršāko plānu gadījumā.
Image010
Datu apstrāde ir iespējama divos veidos – izmantojot darbvirsmas programmatūru vai mākoņdatošanas pakalpojumus. Darbvirsmas programmatūra dod lielākas iespējas vadīt automātisko datu apstrādes procesu, jo rezultātu iegūšanai daudzos gadījumos iteratīvi ir jāpielieto „mēģinājumu un kļūdu” metode. Plašāk pazīstamās darbvirsmas programmas ir Bentley ContextCapture, Pix4Dmapper, Agisoft PhotoScan. Mākoņdatošanas pakalpojumu piemēri ir Pix4D cloud, DroneDeploy, Hexagon Geospatial GeoApp.UAS. Rezultātā iegūst 3D režģa modeli, punktu mākoni un ortofoto karti pēc lietotāja izvēles.
Image012
3D režģa modeli un ortofoto karti, kuri fotoreālistiski attēlo realitāti trijās un divās dimensijās var izmantot tiešā veidā. Uz tiem var veikt koordināšu, attālumu un platības mērījumus, bet 3D modelim papildus vēl tilpuma mērījumus. Ortofoto karti var veidot vertikālā projekcijā vai kā projekciju uz jebkuras plaknes, kas var noderēt, piemēram, ēku fasāžu un ģeoloģisko atsegumu dokumentēšanai un uzmērīšanai. Bez tam metode nodrošina to, ka ortofoto karte visos punktos nodrošina precīzu vertikālu projekciju (patiesa ortofoto karte), tas ir, ēkas tajā „negāžas” uz sāniem, kā tas ir tradicionālajās ortofoto kartēs.
3D modeļa izmantošanas varianti ir atkarīgi no izmantotās programmatūras iespējām. Vienkāršākajā veidā tos var aplūkot 3D pārlūkos, piemēram, Acute3D Viewer, FBX Review, MeshLab, Open 3D Model Viewer u.c., pie kam dažiem no tiem ir arī mērīšanas, kā arī modeļa koriģēšanas iespējas. Straumējama formāta modeļi ir arī aplūkojami ar interneta pārlūku, kas atbalsta WebGL formātu. To nodrošina attiecīga servera programmatūra, piemēram, Accute3D Web Viewer, Cesium.
Esošās situācijas dokumentēšana kopā ar iespējām konstatēt izmaiņas un novērtēt to apjomu ir noderīga daudzos citos pielietojumos kā kadastra datu aktualizācija, karjeru izstrādes uzraudzība, mežu stāvokļa un postījumu dokumentēšana, virszemes inženierkomunikāciju inspekcija, grūti pieejamu objektu tehniskā stāvokļa uzraudzība u.c.
Realitātes 3D modelēšanas rezultāti ir ļoti noderīgi būvniecības informācijas modelēšanas (BIM) procesa realizācijai – situācijas dokumentēšanai pirms izmaiņu veikšanas, kā sākotnējo datu avots (reljefs, izejas dati rekonstrukcijai) konceptuālās un detalizētās projektēšanas etapu laikā, būvniecības ieceres vizualizācijai būvprojekta saskaņošanas laikā, kā izmaiņu kontroles rīks būvniecības laikā un datu avots izpildmērījumiem būves pieņemšanas etapā.
Urbanizētai teritorijai tiek iegūts fotoreālistisks pilsētas 3D modelis, kurš var kalpot daudziem pielietojumiem: pilsētplānošana un arhitektūra, nekustamo īpašumu pārvaldība, avāriju un drošības pārvaldība, kultūras pieminekļu aizsardzība, telpiskā analīze (redzamība, saules ekspozīcija, ēku termogrāfija, piesārņojuma un trokšņu simulēšana utt.), 3D ĢIS uzturēšana, iedzīvotāju un tūristu informēšana portālos. Vajadzības gadījumā realitātes modeli var izmantot kā izejas datu avotu, lai izveidotu vienkāršotu pilsētas 3D modeli atbilstoši CityGML standartā paredzētajiem detalizācijas līmeņiem LOD 0 – LOD 4.
Image014

Mūsu ar Bentley ContextCapture programmatūru izveidoto realitātes modeļu piemērus var aplūkot demonstrāciju vietnē demo.mikrokods.lv, video versijā https://youtu.be/VA-xLGDBCL8. Pilna apjoma Helsinku pilsētas realitātes modelis ir aplūkojams vietnē 3d.hel.ninja/mesh/. Pilsētas 3D modeļa radīšanas process un tā izmantošana ir uzskatāmi parādīta video sižetā par gatavošanos pāvesta vizītei Filadelfijā, ASV: https://www.youtube.com/watch?v=dYJd36opBmY.