3D моделирование городов и городская визуализация с использованием технологии фотограмметрии является одной из крупнейших растущих исследовательских тем в цифровой архитектуре. Существует множество различных методов 3D-моделирования городов и различных приложений 3D-моделей городов. В данной статье представлен метод моделирования создания 3D-модели города на основе аэрофотоснимков с использованием готового коммерческого фотограмметрического инструмента и обсуждаются эффективность и результативность с точки зрения времени, труда и возможности повторного использования. 3D модель города создается не только для научной визуализации, но и для оценки архитектурного проекта.
В последнее время 3D модели городов используются в различных областях, таких как научная визуализация, 3D карты, автомобильные навигационные системы, 3D-ГИС и 3D игры. В данной статье 3D модель города определяется как цифровая трехмерная компьютерная модель существующего города, а не как виртуальная модель города. Существует множество различных методов создания 3D-моделей городов, и исследователи пытаются разработать более эффективные и действенные методы.
Эти методы моделирования в основном подразделяются на три подхода: автоматический, полуавтоматический и ручной. Автоматический подход заключается в извлечении 3D-объектов, таких как здания, улицы и деревья, из аэрофотоснимков или спутников с использованием технологий обработки изображений и распознавания образов в искусственном интеллекте. Полуавтоматический подход заключается в поочередном создании 3D-объектов с помощью таких технологий, как фотограмметрия и 3D-видение. Ручной подход заключается в создании всех геометрий объекта по одному в CAD и CG программных пакетах, которые доступны на рынке, таких как 3D Studio Max и Maya.
Spine3D - одна из известных проектных компаний, которая занимается разработкой 3D-моделей городов вручную. Методы 3D-моделирования городов также варьируются в зависимости от имеющихся ресурсов. LiDAR (Light Detection and range) и Фотограмметрия - это технологии, широко используемые для извлечения 3D-геометрии. Прибор LiDAR передает свет на цель и измеряет его с помощью отраженных сигналов. Существует два подхода к использованию LiDAR. Один из них - получение данных LiDAR с самолета. Это обычно используется в дистанционном зондировании для создания цифровой модели поверхности (DSM) и цифровой модели рельефа (DTM).
Другой подход заключается в получении данных LiDAR с поверхности земли и извлечении сложных геометрических форм, таких как архитектурные компоненты и гражданское строение. Набор точек, выделенных из LiDAR, преобразуется в полигоны. Это позволяет получить очень подробную информацию, но требует, чтобы исследователи летали или проходили мимо, чтобы получить необходимые данные. Другим решением является фотограмметрия.
Как и LiDAR, он может использоваться как для аэрофотосъемки, так и для наземной съемки. Авиационные изображения используются для выделения абстрактных форм зданий, а наземные - для выделения их деталей. Обратная фотография и Shape Capture являются примерами коммерческих пакетов программного обеспечения для 3D моделирования, использующих фотограмметрию.
Классификация 3D-моделей городов
Выбор наиболее подходящего метода для создания 3D-моделей городов зависит от имеющихся ресурсов и целей их использования. Данные ресурсы основаны на времени и труде, а цели - на качестве и масштабе. 3D-модели городов разделены на 9 классов на основе качества и масштаба.
Существует три категории шкалы: уровень улиц, уровень кварталов и уровень города. Модель Street Level используется для визуализации улицы со зданиями и достопримечательностями, такими как деревья, светофоры, знаки и автобусные остановки, с человеческой точки зрения. Модель Block Level предназначена для визуализации кварталов улиц в городе, включая здания и достопримечательности с высоты птичьего полета.
Модель City Level - визуализировать весь город с высоты самолета. В дополнение к классификации, основанной на масштабе, 3D-модели городов подразделяются на 3 класса качества: низкий, средний и высокий. Модель низкого качества предназначена для интерактивной визуализации в реальном времени в интернет-браузерах, модель среднего качества - для визуализации в реальном времени на ПК, а модель высокого качества - не для интерактивной визуализации, а для статической визуализации.
3D-модели городов с использованием фотограмметрии
Фотограмметрия является одной из технологий, наиболее часто используемых в 3D моделировании городов. С его помощью атрибуты объекта автоматически извлекаются из нескольких изображений. Существует два подхода к фотограмметрии.
Один из них - использование снимков, сделанных с земли. Преимущество такого подхода заключается в том, что фотографирование не требует больших затрат. С другой стороны, есть некоторые недостатки. 1) Из соображений безопасности и конфиденциальности трудно сфотографировать здание с задней стороны. 2) Поскольку необходимо сделать несколько фотографий, чтобы охватить все высоты каждого здания, необходимо управлять несколькими файлами изображений. 3) Сложно сопоставить два изображения с разными балансами белого на одном и том же здании. Короче говоря, подход с использованием наземных фотографий полезен для извлечения геометрии здания, когда требуется больше деталей, например, для моделей SH и CH, но требуется больше времени для управления текстурами и их фиксации.
Другой подход заключается в использовании аэрофотоснимков или спутников. Это выгодно, потому что ему нужно всего несколько изображений. Так как текстуры зданий извлекаются из одного и того же изображения, цветовой баланс изображения не требуется для фиксации. Одним из недостатков является то, что аэрофотосъемка обходится дороже, чем наземная съемка.
Существует множество различных методов 3D-моделирования городов, а также множество различных приложений, использующих 3D-модели городов. Поэтому важно выбрать наиболее подходящий метод для конкретного применения.
В данной статье наиболее эффективным и действенным методом моделирования определен метод, при котором модель многократного использования в самых различных приложениях создается за минимальное время и с минимальными трудозатратами. Другими словами, более эффективным и действенным является возможность повторного использования модели среди классов, и более эффективным - создание модели с меньшими затратами времени и средств.