stringtranslate.com

Цифровая модель обнажения

Пример цифровой модели обнажения, Каньон Вудсайд, штат Юта, США.
Рисунок 1. Пример цифровой модели обнажения, Вудсайд-Каньон, Юта, США. Вверху: обзор DOM в виде цветного облака точек (А) и текстурированной модели (Б). Область, отмеченная красным, увеличена и показана на изображениях C и D. Внизу: цветное облако точек (C) и текстурированная модель (D), видимая с более близкого расстояния.

Цифровая модель обнажения ( DOM ), также называемая виртуальной моделью обнажения , представляет собой цифровое трехмерное представление поверхности обнажения , в основном в виде текстурированной полигональной сетки .

DOM позволяют интерпретировать и воспроизводить измерения [1] различных геологических особенностей, например, ориентации геологических поверхностей, ширины и толщины слоев. Количество идентифицируемых и измеримых геологических особенностей во многом зависит от разрешения и точности модели обнажения. [2]

Использование методов дистанционного зондирования позволяет этим 3D-моделям покрывать труднодоступные места, например, скальные стены высотой несколько метров. Тот факт, что геологическую интерпретацию можно выполнять на экране, в том числе в труднодоступных районах, где использование традиционных методов полевых исследований может быть небезопасным, а также большой объем данных, которые можно собрать за относительно короткое время, являются ключевыми преимуществами использования DOM. [3] Географическая привязка цифровых моделей обнажений позволяет интегрировать их с другими пространственными данными, например, с результатами цифрового геологического картирования или ГИС .

В качестве альтернативы фотореалистичным текстурированным моделям цифровые трехмерные модели обнажений могут быть представлены облаком точек, окрашенным спектральными данными (RGB) из соответствующих изображений. Такое представление модели поверхности точно описывает топографию обнажения, но из-за его дискретного характера часто трудно интерпретировать (см. Рисунок 1). Текстурирование цифровых полигональных моделей обнажений с помощью изображений расширяет возможности моделей с помощью непрерывных данных высокого разрешения и, следовательно, облегчает геологическую интерпретацию. [2]

Техники создания

Создание текстурированных DOM можно разделить на три основных этапа:

Для достижения необходимого разрешения и точности модели данные в основном собираются с земли [2] (наземное) или с вертолетной платформы ( мобильное картографирование ). [4] Аэрофотоснимки и спутниковые данные также могут быть интегрированы, но в основном в качестве дополнительных наборов данных для областей обнажений, где данные с близкого расстояния отсутствуют. [5]

Цифровая модель поверхности обнажения

Создание цифровой модели поверхности обнажения состоит из следующих этапов:

  1. Получение данных
Цифровые данные, необходимые для создания модели поверхности обнажения, могут быть получены, как и в случае с цифровыми моделями рельефа , путем лазерного сканирования или реконструированы из нескольких изображений , снятых с нескольких видов, с использованием методов структуры на основе движения или стереовидения . [6] [7] Неполный список программных пакетов, позволяющих проводить моделирование на основе изображений, можно найти здесь .
Модели, созданные с помощью вышеупомянутых методов, могут иметь сопоставимый масштаб и уровень детализации. [6] Независимо от применяемого метода, первичные результирующие данные одинаковы: 3D (X,Y,Z) координаты большого количества точек в виде облака точек , описывающих поверхность обнажения.
2. Объединение облаков точек и географическая привязка
Облака точек, полученные с разных ракурсов, необходимо объединить и зарегистрировать в единой системе координат (вместе с изображениями). В процессе регистрации рассчитывается 3D-преобразование между общими частями двух облаков точек. Параметры 3D-преобразования можно найти на основе соответствующих точек в двух облаках точек, сопоставлении поверхностей, а в случае мобильного картографирования, поддерживаемого GNSS и INS , с помощью метода прямой ориентации датчика [8]
В процессе пространственной привязки облака точек вычисляется 3D-преобразование между локальной системой координат проекта и геодезической системой координат . Для выполнения этого действия требуется минимум три точки, которые могут быть расположены в облаке точек и известны их координаты в геодезической системе (измеренные с помощью геодезических методов или GNSS ).
3. Очистка и децимация облака точек.
Независимо от методологии сбора данных, полученное облако точек обычно фильтруется и очищается от нежелательных объектов, например, растительности. В зависимости от сложности поверхности обнажения и размера набора данных может потребоваться уменьшение общей плотности облака точек.
4. 3D-триангуляция и оптимизация треугольной сетки.
Чтобы включить возможность текстурирования модели, редактируемое облако точек преобразуется в триангулированную нерегулярную сеть ( треугольную сетку ). Правильная триангуляция 3D-данных — нетривиальная задача из-за потенциальных теней при сканировании, растительности, резких изменений топографии и случайных ошибок. Поэтому дополнительное редактирование и оптимизация сетки часто требуется для улучшения равноугольности, решения проблем топологии или переориентации инвертированных нормалей поверхности.

Цифровые изображения

  1. Регистрация изображения
Создание текстурированных 3D-моделей требует определения взаимосвязей между всеми вершинами треугольной сетки и соответствующими точками изображения. Чтобы найти эту взаимосвязь, можно использовать условие коллинеарности , но необходимо знать параметры внутренней и внешней ориентации изображения.
Параметры внутренней (внутренней) ориентации камеры получаются в процессе калибровки камеры .
Когда во время сбора данных используется лазерное сканирование, камера обычно жестко связана со сканером и ее ориентация относительно сканера точно измеряется. В таких случаях параметры внешней (внешней) ориентации можно легко получить для всех изображений с помощью 3D-преобразования. В противном случае можно установить параметры ориентации внешней камеры на основе известных координат минимум трех точек на трехмерной модели поверхности обнажения и изображении.
В случае трехмерной модели поверхности обнажения, полученной на основе фотомоделирования, параметры внутренней и внешней ориентации изображения могут быть рассчитаны с помощью программного обеспечения для моделирования.
2. Предварительный выбор изображения и цветовая балансировка.
В зависимости от применяемого подхода к рендерингу (см. следующий раздел ) может потребоваться предварительный выбор изображений, наиболее подходящих для наложения текстур.
Если изображения, использованные в окончательном процессе текстурирования, были получены при разных условиях освещения и цвета соответствующих элементов, видимых на разных изображениях, значительно различаются, может потребоваться настройка цвета изображения.

Наложение текстур

Существуют различные алгоритмы отображения текстур , например: текстурирование одного изображения, [9] смешивание цветов текстуры [10] или текстурирование в зависимости от вида. [11] Часто используется подход к текстурированию одного изображения, [3] [12] из-за его простоты и эффективности.

Визуализация

Визуализация больших текстурированных 3D-моделей по-прежнему несколько проблематична и сильно зависит от аппаратного обеспечения. Трехмерная природа DOM (несколько значений для каждой позиции X, Y) приводит к тому, что форма данных не подходит для ввода в большинство географических информационных систем. Однако существует несколько готовых пакетов программного обеспечения для визуализации, которые также позволяют проводить геологическую интерпретацию и измерения:

Цифровые модели обнажений и фотопанели

Фотопанель представляет собой мозаику из нескольких изображений, обычно используемую в геологии для документации обнажений и ссылки на геометрические свойства объекта. Масштаб таких фотопанелей приблизительно установлен для оценки размеров различных геологических объектов. Однако эти измерения обычно содержат ошибки, связанные с искажениями, возникающими при преобразовании 3D обнажений в плоскость 2D изображения, а также с неточностью процесса ручной сшивки изображений . [ нужна цитата ]

Благодаря своей трехмерной природе цифровые модели обнажений обеспечивают правильные и точные измерения характеристик, перечисленных в следующем разделе .

Данные, извлекаемые из цифровых моделей обнажений

Пример цифровой модели обнажения с геологической интерпретацией недалеко от Грин-Ривер, штат Юта, США.
Рисунок 2. Пример геологической интерпретации цифровой модели обнажения вблизи Грин-Ривер, штат Юта, США. Размеры показанной части обнажения: высота ~350 м, длина ~1,1 км.

Дополнительные данные

Анализ цифровых моделей обнажений можно улучшить с помощью широкого спектра цифровых данных с географической привязкой , например:

Использование данных без географической привязки с DOM возможно, но требует дополнительных усилий для позиционирования вспомогательных данных относительно DOM.

Приложения

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Дж. А. Беллиан, К. Керанс и Д. К. Дженнетт, 2005. Цифровые модели обнажений: применение лидарной технологии наземного сканирования в стратиграфическом моделировании, Журнал осадочных исследований, том. 75, выпуск 2, стр. 166-176.
  2. ^ abcd Бакли, С.; Хауэлл, Дж.; Энге, Х.; Курц, Т. (2008). «Наземное лазерное сканирование в геологии: вопросы сбора, обработки и точности данных». Журнал Геологического общества . 165 (3): 625–638. дои : 10.1144/0016-76492007-100. hdl : 1956/4302 . S2CID  129757527.
  3. ^ Аб Бакли, С.; Энге, Х.; Карлссон, К.; Хауэлл, Дж. (2010). «Наземное лазерное сканирование для использования в геологии виртуальных обнажений». Фотограмметрическая запись . 25 (131): 225–239. CiteSeerX 10.1.1.471.9674 . дои : 10.1111/j.1477-9730.2010.00585.x. S2CID  140647568. 
  4. ^ С. Бакли, Дж. Валлет, А. Браатен, В. Уилер, 2008. Наклонное лазерное сканирование с вертолета для цифрового моделирования местности и визуализации геологических обнажений. IAPRS 37(B4), стр. 493-498, pdf.
  5. ^ Бакли, С.; Шварц, Э.; Терлаки, В.; Хауэлл, Дж.; Арнотт, RW (2010). «Объединение аэрофотограмметрии и наземного лидара для аналогового моделирования резервуаров». Фотограмметрическая инженерия и дистанционное зондирование . 76 (8): 953–963. дои :10.14358/чел.76.8.953. hdl : 11336/72973 .
  6. ^ Аб Ханеберг, WC (2008). «Использование наземной цифровой фотограмметрии с близкого расстояния для трехмерного моделирования скальных склонов и картографирования неоднородностей в Соединенных Штатах». Бюллетень инженерной геологии и окружающей среды . 67 (4): 457–469. дои : 10.1007/s10064-008-0157-y. S2CID  110488345.
  7. ^ Ф. Тонон и Дж. Т. Коттенстетт, 2006. Лазерные и фотограмметрические методы определения характеристик скальных пород. Отчет о семинаре, состоявшемся 17–18 июня 2006 г. в Голдене, штат Колорадо. PDF.
  8. ^ М. Крамер, Д. Столлманн, Н. Хаала, 2000. Прямая географическая привязка с использованием GPS/инерциальной внешней ориентации для фотограмметрических приложений. МАПРС, 33(Часть B3), pdf
  9. ^ В. Нием и Х. Брозио, 1995. Отображение текстуры с нескольких изображений с камеры на модели 3D-объектов для компьютерной анимации. Материалы международного семинара по стереоскопической и трехмерной визуализации, Санторини, Греция.
  10. ^ П. Пулен, М. Уиме, М. К. Фрассон, 1998. Интерактивное моделирование с помощью фотограмметрии. Семинар Eurographics по рендерингу, Springer-Verlag, стр. 93–104.
  11. ^ PE Дебевец, CJ Тейлор, Дж. Малик, 1996. Моделирование и рендеринг архитектуры по фотографиям. Материалы 23-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям, SIGGRAPH '96, Новый Орлеан, США.
  12. ^ Riegl, 2010. Руководство пользователя RiSCAN PRO. стр.119-120.
  13. ^ К. Олариу, 2000. Исследование меловых отложений фронта дельты, интеграция обнажений, георадарных и трехмерных фотореалистичных данных, песчаник Пантер-Тонг, Юта. Магистерская диссертация, Техасский университет в Далласе, PDF
  14. ^ Курц, Т.; Бакли, С.; Хауэлл, Дж.; Шнайдер, Д. (2011). «Интеграция панорамных гиперспектральных изображений с наземным лидаром». Фотограмметрическая запись . 26 (134): 212–228. дои : 10.1111/j.1477-9730.2011.00632.x. S2CID  140655967.
  15. ^ Энге, HD; Бакли, С.Дж.; Ротеватн, А.; Хауэлл, Дж. А. (2007). «От обнажения к имитационной модели резервуара: рабочий процесс и процедуры». Геосфера . 3 (6): 469–490. дои : 10.1130/ges00099.1 .

Внешние ссылки