Преобразование из фотограмметрических и лазерных облаков точек цифровой модели местности (ЦММ) инженерного назначения является трудоемкой рутинной задачей. Автоматизация этого процесса позволяет существенно сократить временные затраты на обработку фотограмметрических и лазерных облаков точек.
Работа в программе начинается со сбора исходных данных. Информация по облаку точек может быть получена в различных форматах: программой поддерживаются форматы LAS, LAZ, Е57 также возможен импорт облаков точек из текстовых файлов с настройкой формата. Сценарий импорта облаков точек позволяет максимально гибко и удобно просмотреть информацию об импортируемых облаках, исправить ошибки габаритов облака, правильно интерпретировать координаты (рис. 1). Кроме того, можно загружать фотоизображения и панорамы с геопространственной привязкой на область, занимаемую облаком точек. Фотоизображения можно просматривать в отдельном окне (окно фотоизображений полностью синхронизировано с камерой 3D-окна) или в режиме совмещенного просмотра в 3D-окне. При работе в плане и 3D возможен выбор определенной фотографии, для определения характеристик объекта при отрисовке ситуации.
Рис. 1. Импорт облаков точек в системе КРЕДО 3D СКАН
В программе КРЕДО 3D СКАН поддерживается работа с растровыми картами, планами, аэрофотоснимками в различных форматах (CRF, BMP, TIFF, JPEG, PNG, TMD и т.д.), с веб-картами картографических Интернет-сервисов Google Maps и Bing, также возможно добавление пользовательских файловых серверов (рис. 2).
При необходимости к наложенному изображению картографического сервиса может быть применена дополнительная трансформация для устранения локальной несогласованности глобальной и региональной систем координат.
Рис. 2. Работа с облаком точек, веб-картами, фотоматериалами в системе КРЕДО 3D СКАН
Перед импортом данных в программу КРЕДО 3D СКАН можно задать все настройки проекта в режиме одного окна. Доступна настройка параметров классификатора топографических объектов, выбор системы координат, выбор варианта отображения объектов на плоскости и единиц измерения. В программе есть возможность импортировать системы координат из базы данных EPSG, для удобства поиска объектов в базе реализован графический интерфейс (рис. 3).
Рис. 3. Поиск систем координат в базе данных EPSG
После импорта облако точек отображается в двухмерном виде в окне План, где на плоскости можно оценить загруженные данные. Для удобной работы с трехмерным облаком в окне План есть возможность отображения динамического поперечника, строящего разрез 3D вида (включая облака точек, матрицы высот, отображаемые в 3D объекты). Окно отображает поперечник по нормали к заданной линии под курсором в окне план (рис. 4).
Также поперечник можно построить, явно указав линию сечения в окне План. Текущий поперечник можно заблокировать, что позволяет выполнять измерения, создавать и редактировать точечные и линейные объекты в окне, включая линии, пересекающие поперечник. Возможно распознавание линий по облаку в поперечнике и экспорт полученного чертежа в dxf/dwg. При необходимости можно настроить ширину сечения и вертикальный масштаб. Перемещение положения поперечника происходит интерактивно по положению курсора в окне План или командами перемещения при заблокированном поперечнике (для перемещения настраивается большой и малый шаг). При использовании оси дороги в качестве опорной линии в окне поперечника отображается текущее пикетное положение.
Рис. 4. Динамический поперечник по облаку.
Для полноты восприятия и удобства можно перейти к трехмерному виду в 3D-окне и продолжить работу (рис. 5). Перемещение в 3D-окне выполняется интерактивно по всем направлениям с помощью колеса, правой или левой клавиш мыши. В программе реализовано два полноценных 3D окна, что позволяет удобно работать со сложным объектом, имея возможность видеть его одновременно с разных сторон и в виде сверху (в окне План).
Рис. 5. Работа с облаком точек в 3D-окне.
Прежде чем переходить к решению задач по облаку точек, можно осуществить фильтрацию загруженного облака точек. Фильтрация позволяет убрать шумы ниже рельефа, удалить изолированные точки, движущиеся объекты.
В одном проекте фильтры могут применяться как ко всему облаку точек, так и к частям облака (в заданном контуре, к выделенным точкам, к отдельным классификационным слоям, к точкам, определенным составным логическим и геометрическим условием). При этом указание контура можно выполнять как в 3D-окне, так и в окне План. В качестве контура также можно использовать линейный объект. При запуске фильтров можно включить предпросмотр заданных условий и визуально оценить, к каким именно точкам будет применен фильтр.
Для большинства алгоритмов предусмотрена визуализация параметров и геометрических ограничений, предоставляющая наглядность для редактируемых параметров (рис 6).
Рис. 6. Визуализация параметров.
При необходимости можно вырезать, выделять, удалять части облака точек, просто выделяя области рамкой или контуром в плане или 3D-окне.
Удобным инструментом является модификация точек в кластере – с его помощью можно быстро классифицировать или удалить изолированные группы точек.
Для классификации частей зданий и сооружений программа предоставляет функционал работы с плоскими сегментами. Плоские сегменты создаются в интерактивном режиме по плоским отсканированным участкам (стены, крыши, полы и т.п). В дальнейшем точки облака можно модифицировать по расстоянию от выбранного плоского сегмента, например назначить слои точкам облака, относящимся к элементам здания.
Также возможно объединение (сшивка) нескольких облаков точек одного проекта в одно облако точек. К отдельным облакам точек можно применять смещение в плане по осям (dX, dY) или по высоте (dH).
В ряде случаев возникает необходимость трансформации облаков точек: для сшивки сканов с разных станций при обработке данных наземного сканирования, для корректировки облака с учетом марок с известными координатами, для взаимной корректировки двух облаков.
Программа предоставляет функционал по трансформации облаков: импорт и разметка на облаках опорных точек, привязка опорных точек к центрам сферических марок, трансформация отдельных облаков и всех облаков проекта, включая возможность трансформации по относительным точкам привязки – точкам без известных координат, положение которых известно на нескольких облаках. Точки привязки могут создаваться как в окне План, так и в 3D-окнах. Трансформация осуществляется кусочно-линейным методом, что позволяет устранять нелинейные искажения отдельных облаков или выполнять взаимную трансформацию нескольких облаков с учетом возможных невязок положения марок. В программе также реализована функциональность точной финальной трансформации облаков алгоритмом ICP.
Программа позволяет в полуавтоматическом режиме создавать цифровую модель рельефа (ЦМР). Для этого необходимо выполнить несколько действий:
При необходимости можно использовать точки, полученные традиционными видами съемок для анализа качества сканирования и выделения рельефа, корректировки модели. Точки могут быть проимпортированы в модель, при этом они будут отображаться в окне План, в таблице Именованные точки, а также в 3D-окне. Совместный просмотр облака точек и импортированных точек съемки в 3D позволяет быстро и удобно оценить пригодность облака для моделирования рельефа. Импортированные (и созданные в программе) модельные точки используются алгоритмами выделения рельефа в качестве опорных точек, гарантированно являющихся рельефными. При импорте точек учитываются коды и команды полевого кодирования и создаются соответствующие ТО.
Программа позволяет быстро и эффективно создавать структурные линии по бровкам. Для бровок и подошв земляного полотна дороги при наличии четкой линии перегиба рельефа структурная линия может быть распознана автоматически. Также возможно автоматическое распознавание бровок на уступах карьеров. Для остальных случаев программа предоставляет удобные инструменты, существенно повышающие скорость работы и качество результата при ручном создании структурных линий. Для четкой визуализации областей с уклоном можно рассчитать раскраску области по градиенту уклона. Матрица высот, созданная по облаку точек, позволяет четко увидеть особенности рельефа в 3D. А динамически перестраиваемый по положению курсора в Плане поперечник дает возможность при рисовании линий в плане точно позиционировать их в характерные места перегиба.
По модели рельефа и рельефным точкам облака программа позволяет выполнить расчет объемов. В качестве модели рельефа выбирается исходное состояние рельефа, облако точек задает конечное состояние. В результате расчета создается подпись со значениями объемов насыпи, выемки и соответствующих площадей, а также растр с картограммой.
Рис. 7. Результат расчета объемов
Создание топографических объектов может выполняться вручную как в окне План, так и в 3D-окне. Создание объекта можно производить одновременно в окне План и 3D, продолжая начатую линию в том представлении, в котором отрисовка более удобна. Это существенно упрощает отрисовку сложных линейных и площадных объектов. После выбора в облаке точек объекта ситуации открывается классификатор топографических объектов, в котором выбирается нужный объект. Затем он отображается и в 3D-окне, и в Плане. Объекты, создаваемые в Плане при наличии заданной модели рельефа, получают отметки профиля из модели. В качестве модели рельефа может использоваться облако точек с отфильтрованными нерельефными точками или классификационный слой облака, содержащий рельефные точки, триангуляционная поверхность или матрица высот.
Для удобства работы в 3D-окне можно воспользоваться параллельно открытым окном с фотоизображением, т.е. загрузить привязанное фотоизображение на область, покрывающую облако точек (рис. 8).
Рис. 8. Окно 3D-вида и окно фотографий
Поскольку фотоизображение имеет геопространственную привязку, облако точек в 3D-окне синхронизировано с ним, что позволяет быстро уточнить характеристики сложных объектов. Возможен как раздельный, так и совмещенный просмотр облака и фотоизображений. Положения центров фотографирования отображаются в окнах План и 3D, что позволяет в ручном режиме переключаться на нужное фотоизображение.
В программе реализован ряд автоматических методов создания цифровой модели местности по облаку точек.
Линии электропередачи могут быть распознаны в автоматическом режиме. На первом этапе осуществляется поиск всех столбов и интерактивная валидация результата, на втором – восстановление геометрии проводов. При этом можно получить, как отдельные провода, так и всю линию одним линейным объектом (рис. 9).
Рис. 9. Распознавание ЛЭП
Распознавание объектов ситуации возможно, как в 3D-окне, так и в Плане (рис. 10).
Рис. 10. Отображение в окне ПЛАН распознанных топографических объектов.
Для работы в Плане можно «разрезать» облако точек на слои, эквидистантные рельефу. Выделение слоев доступно после расчета высот точек над рельефом. Дальнейшее выделение слоя выполняется интерактивным фильтром по высоте над рельефом с предпросмотром результата. Полученные таким образом слои можно преобразовать в растровые изображения. По растровым изображениям быстро и удобно в интерактивном режиме распознается геометрия линейных объектов. Созданные таким образом линейные объекты получают отметки узлов с модели рельефа, в результате формируются трехмерные линейные и площадные топографические объекты. В программе реализован ряд инструментов обработки растровых изображений, позволяющих выполнить подготовку растров для качественной векторизации. Инструменты позволяют работать как с черно-белыми, так и с цветными растрами. При необходимости отдельные элементы могут быть векторизованы в полуавтоматическом режиме и с цветных ортофотопланов (после предварительной подготовки).
Программа позволяет выполнять автоматическое распознавание элементов дорожной инфраструктуры: разметки (по данным интенсивности), столбов дорожных знаков, сигнальных столбиков, бровок и подошв земляного полотна, кромок покрытия (при наличии явного перепада высот по отношению к обочине), бордюров. Для максимальной автоматизации процесса распознавания объектов возможен импорт траектории мобильного сканера и расчет по траектории приблизительного положения трассы автомобильной дороги (рис. 11).
Рис. 11. Распознавание элементов дорожной инфраструктуры
Программа позволяет распознавать и классифицировать по ГОСТ Р 52290-2004 дорожные знаки. Поиск производится по фотоизображениям, полученным ходе сканирования с использованием каскадного детектора. Найденные области проходят классификацию нейронной сетью. Полученные таким образом положения дорожных знаков на фото используются для локализации плоскостей знаков по облаку точек. Весь процесс происходит в автоматическом режиме, по завершении запускается интерактив валидации результатов распознавания знаков с возможностью корректировки класса знака, его положения или добавления пропущенных знаков. Если при выполнении сканирования не было препятствий, создающих «тени» в облаке точек, а фотографирование производилось с частотой около 1 фото на 10 метров траектории, в автоматическом режиме может быть найдено до 100% дорожных знаков. В текущей версии программы распознаются все классы знаков, кроме указателей (5.23.1-5.26, 6.9.1 — 6.21.2) и табличек (8.1.1 — 8.24).
Рис. 12. Распознавание дорожных знаков.
Рис. 13. Создание средств организации дорожного движения.
При необходимости расстановка дорожных знаков по облаку может выполняться и вручную. При наличии привязанных фотоизображений программа будет пытаться найти и классифицировать создаваемый знак по фотоизображению, автоматически выставляя номер знака создаваемому объекту.
В программе возможно решение задач по оценке дороги по материалам лазерного сканирования: расчет индекса ровности IRI с формированием ведомости ровности и графика ровности, а также анализ дефектов (колеи, ямы, состояние обочины) с графической визуализацией (рис. 14). Также возможно выполнить расчет уклонов дорожного полотна по облаку точек с заданным шагом.
Рис. 14. Расчет ровности
В программе реализована методика автоматизированного поиска линий излома рельефа с созданием векторных структурных линий на них. Поиск выполняется в несколько этапов, на каждом этапе можно оценить полноту и качество работы алгоритма, уточнить параметры для достижения наилучшего результата. (рис 15).
Финальный этап выделения бровок позволяет интерактивно управлять параметрами и видеть в режиме предпросмотра получаемый на основе текущего значения параметров результат.
При необходимости полученные бровки можно отфильтровать по длине, удалив незначительные элементы и шумы, а также выполнить автоматическую сшивку однотипных элементов.
Рис. 15. Распознавание бровок уступов карьера
Программа позволяет выполнить классификацию точек внешних границ замкнутых пространств (подземные горные выработки, помещения). В результате работы функции облако точек классифицируется на точки границ пространства и внутренние точки (шум, технологическое оборудование, люди, предметы).
Программа позволяет создавать подписи объектов в плане и 3D с привязкой к объектам и точкам облака. Механизм подписей разработан максимально гибко, с возможностью настройки шаблонов и создания произвольных пользовательских подписей. Часто используемые подписи могут быть сохранены как шаблоны и использоваться повторно. Для подписей доступно множество параметров: координаты, расстояния и превышения, разности координат, характеристики элементов модели.
Рис. 16. Подписи в 3D-окне
Программа 3D СКАН обеспечивает базовую функциональность с 3D-моделями. Поддерживается импорт как BIM-моделей в формате Industry Foundation Classes (IFC), так и в популярных 3D-форматах. Программа позволяет импортировать и визуализировать модели в 3D-окне совместно с облаками точек, перемещать и масштабировать 3D-модель, выполнять измерения между облаками точек и узлами модели.
Рис. 17. Совместная работа с облаками точек и 3D моделями.
Программа КРЕДО 3D СКАН позволяет автоматизировать процесс обработки данных фотограмметрических и лазерных облаков точек для создания цифровой модели местности: модель рельефа и ситуации, предназначенные для решения различных прикладных инженерных задач, а также решения задач по оценке дороги и создания модели дорожной инфраструктуры и средств организации дорожного движения.
Удобный интерфейс программы КРЕДО 3D СКАН, с возможностью автоматизации процессов обработки облаков точек и моделирования обеспечивает максимальную производительность и качество конечного результата.
КРЕДО 3D СКАН входит в состав геодезического направления комплекса КРЕДО. За счет совместной обработки данных инженерно-геодезических изысканий в единой информационной среде, полученных различными методами, вы обеспечиваете себе максимальную производительность и качество.
Неотъемлемой частью работы на любом объекте является подготовка чертежей. Они могут потребоваться как в виде отчетных документов, так и для решения других задач. Выбирается область, покрываемая чертежом произвольной конфигурации или с заданным размером листа. После этого чертеж отправляется на печать или сохраняется в файле нужного формата.
Результаты обработки данных облаков точек можно экспортировать в файлы следующих форматов: DXF, MIF/MID, LAS, LAZ, TopoXML (LandXML), а также различных растровых форматах.
Процессор: Intel Core i3/i5/i7 или аналогичный;
ОЗУ: не менее 8 ГБ;
Жесткий диск: для временной папки приложения и хранения текущих облаков точек рекомендуется использовать SSD;
Видеоподсистема: графический ускоритель на базе графического процессора не хуже NVIDIA GeForce 400 series или AMD Radeon HD 5000 series, с поддержкой OpenGL 4.3, объем видеопамяти 1024 МБ (рекомендуется 2048 МБ).
Операционная система:
Astra Linux Common Edition,
Microsoft Windows 10 x64.
