تطبيق تقنية تحديد المواقع اللحظي (RTK) في النمذجة ثلاثية الأبعاد للمباني الأثرية

تُعد العمارة القديمة شهادة على الحضارة الإنسانية وتاريخها. إنها جزء لا يتجزأ من تراثنا الثقافي، ولكن لسوء الحظ وبسبب التدهور الطبيعي الناجم عن العوامل الجغرافية، فإنها تتلاشى ببطء. ومع ذلك، بفضل تطور تكنولوجيا الأبعاد الثلاثية، يمكننا الآن إعادة بناء بعض هذه الأعمال العظيمة بتفاصيل حية! لا تتيح لنا هذه التكنولوجيا حماية الهياكل القديمة من المزيد من التدهور بشكل أفضل فحسب، بل تحافظ عليها أيضًا للأجيال القادمة.

خلفية المشروع

بناءً على طلب أحد العملاء، قام استوديو UAV وكلية الهندسة المعمارية والهندسة من إحدى المدارس في مقاطعة هونان بالصين، بتنفيذ أعمال نمذجة ثلاثية الأبعاد دقيقة لموقعين تاريخيين رئيسيين - المنزل السابق لهوانج شينج والمنزل القديم لشو جوانجدا. الأول مُدرج رسميًا كوحدة مهمة لحماية الآثار الثقافية ويغطي مساحة تصل إلى 6.45 فدان. ومن ناحية أخرى، يُعرف شو جوانجدا أيضًا بكونه باحثًا مؤثرًا خلال حياته، وقد ترك وراءه العديد من الأعمال القيمة حتى يومنا هذا. من خلال نتائج أبحاثنا التي تم الحصول عليها من الصور الجوية عالية الدقة بالاشتراك مع تحليل بيانات تكنولوجيا الاستشعار عن بعد الأرضية التي تم جمعها باستخدام المركبات الجوية بدون طيار (UAVs)، نأمل في فهم قصصهما بشكل أفضل للأجيال اللاحقة مع الحفاظ على تراثهما الثقافي لأغراض الدراسة المستقبلية.

تحليل نقطة الألم

تعتمد النمذجة ثلاثية الأبعاد التقليدية غالبًا على البيانات التي يتم جمعها من التصوير الفوتوغرافي المائل باستخدام الطائرات بدون طيار (UAV)، ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها قيودها الخاصة التي لا تلبي احتياجات النمذجة الدقيقة للمباني. أولاً، بسبب مشكلات الزاوية والمسافة، لا يمكنها التقاط نسيج مفصل بما يكفي للواجهة. ثانيًا، تحتوي العديد من المباني التقليدية على أسقف عريضة يمكن أن يكون التقاطها صعبًا أو مستحيلاً من خلال التصوير الفوتوغرافي المائل باستخدام الطائرات بدون طيار. ثالثًا، يعيق وجود الأشجار حول المبنى التقاط التصوير الفوتوغرافي المائل باستخدام الطائرات بدون طيار لنسيج واجهة المبنى بالكامل.

لتعويض بعض هذه النواقص في طريقة النمذجة بالتصوير المائل باستخدام الطائرات بدون طيار، تُستخدم عادةً طرق تكميلية مثل التحكم يدويًا في الطائرة بدون طيار لالتقاط صور إضافية لواجهات المباني وتفاصيلها - ولكن حتى في هذه الحالة، لا تزال هناك تحديات بسبب طبيعتها المحدودة التي لا تناسب سوى الهياكل الطويلة أو الكبيرة ذات المساحة الكافية حول المباني. المنزل السابق في هذا المشروع هو منزل من طابق واحد وتوجد أشجار عالية حوله، لذلك تم تحديد أن هذه الطريقة تنطوي على مخاطر أمنية أكبر من الطرق الأخرى المتاحة. لذلك، فهي غير مناسبة للاستخدام. هناك طريقة أخرى تتمثل في التقاط صور إضافية للمبنى مثل واجهة المباني السكنية وتفاصيلها يدويًا على الأرض باستخدام كاميرا عادية. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة تضع صعوبات إضافية في دمج الصور العادية والجوية في مرحلة ما بعد المعالجة، حيث لا توجد بيانات دقيقة لموقع POS على الصور العادية ولا يوجد تراكب فعال مع الصور الجوية، علاوة على ذلك، يختلف الدقة وحجم نقطة صورة CMOS بين الكاميرات العادية وكاميرات المسح الجوي. لذلك، هذه الطريقة غير قابلة للتطبيق.

لقد أدت هذه القيود في طرق النمذجة ثلاثية الأبعاد التقليدية إلى دفع الخبراء في الصناعة لاستكشاف بدائل للنمذجة الدقيقة للمباني.

برنامج التنفيذ

تعتمد المهمة نظام الإجراء التعاوني Hi-Target vRTK + UAV لتحسين نماذج ثلاثية الأبعاد. طبقنا التصوير المائل بطائرة بدون طيار للحصول على صور السقف والارتفاع، و vRTK لالتقاط صور واجهة المبنى. بعد ذلك، يتم دمج نتائج المثلثات الجوية، التي يتم الحصول عليها من الحساب المنفصل للمثلثات الجوية، للنمذجة ثلاثية الأبعاد مباشرة.

أهم فائدة لهذا الحل هي أن الصور الملتقطة بواسطة vRTK، وهي تقنية تحديد المواقع بالصور GNSS RTK، تحتوي على بيانات POS دقيقة (دقة مستوى RTK) وفي نفس الوقت تشترك في نفس نظام الإحداثيات، ولا حاجة لضبط نقاط الاتصال أو نقاط التحكم في الصورة عند حساب المثلثات الجوية.
تقلل هذه الطريقة من عبء العمل وتجعل العمل المكتبي أسهل من ذي قبل.

سير العمل

1. التطبيق الفيزيائي

1) التصوير المائل بطائرة بدون طيار
تطبيق طريقة التصوير المائل بخمس اتجاهات عند استخدام طائرة بدون طيار من علامة تجارية صينية للتصوير الجوي المائل.

2) التصوير الأرضي القريب المدى بواسطة vRTK
استخدام vRTK لالتقاط صور مقربة لجدران المباني التي تحتاج إلى التركيز عليها بالإضافة إلى الأسطح التي تحجبها الأشجار.
تتم طريقة التصوير بشكل عام عن طريق جعل واجهة المبنى هي الهدف وتنفيذ اللقطات بحيث تتداخل الصور المتجاورة، ووضع الكاميرا بمسافات قريبة وبعيدة، ويمكن إمالة المنظر. كما هو موضح أدناه.

في هذه العملية، يجب أن تتشارك صور Hi-Target vRTK الأرضية ذات المدى القريب التي تلتقط صورًا إضافية نفس نظام الإحداثيات ونظام الارتفاع مع التصوير المائل بطائرة بدون طيار. يتم استخدام الجيود، والنظام الإحداثي الجيوديسي الصيني 2000، والمحطة الأساسية China Mobile CORS في هذا المشروع. بعد ساعتين من التشغيل، أكمل الفني مجموعة البيانات المادية للمنزلين السابقين.

2. معالجة البيانات

تتم معالجة الصور الجوية التي جمعتها الطائرات بدون طيار والصور المقربة للمبنى التي جمعتها Hi-Target vRTK عن طريق التثليث الجوي على التوالي، ويتم دمج جميع نتائج التثليث الجوي للنمذجة ثلاثية الأبعاد في المرحلة الأخيرة. يستغرق الأمر ساعتين إجمالاً لمعالجة البيانات بالكامل.

النتيجة

من خلال النموذج ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه، يمكن ملاحظة أن الصور الإضافية الملتقطة بواسطة vRTK حسنت نسيج واجهة المبنى بشكل كبير وكملت عناصر السقف المفقودة ونموذج واجهة المبنى المفقود بسبب تظليل الأشجار الذي لم يلتقطه التصوير المائل للطائرة بدون طيار.

بالمقارنة مع النموذج ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه من التصوير المائل للطائرة بدون طيار فقط، يمكن للنموذج ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه هذه المرة أن يظهر بوضوح الهيكل التفصيلي للمبنى، ويمكن عرض العناصر المعمارية على الواجهة، وتحت الأسطح والأشجار، والعناصر الثقافية التي تدعم المبنى بشكل دقيق لتلبية احتياجات المشروع.

ملخص المشروع

من خلال تنفيذ هذا المشروع، يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية.

(1) تعمل طريقة تطبيق Hi-Target vRTK لتعويض التصوير الأرضي، بالاشتراك مع التصوير الجوي بواسطة الطائرات بدون طيار، على تحسين كفاءة العمل بشكل كبير. يستغرق الأمر ساعتين فقط لإكمال جمع بيانات حقل المنزلين السابقين بمساحة إجمالية تبلغ 8.07 فدان.

(2) تتشارك صور Hi-Target vRTK المزودة ببيانات POS نفس نظام الإحداثيات مع صور الطائرات بدون طيار الجوية، مما يتيح النمذجة الداخلية دون استخدام نقاط اتصال ودمج نتائج المثلثات الهوائية مباشرة للنمذجة، مما يبسط عملية التشغيل الداخلي، ويقلل من عبء العمل في الصناعة الداخلية، ويحسن كفاءة المعالجة الداخلية التي تستغرق ساعتين فقط لإكمال بناء النموذج المتقن.

(3) تتشابه المعلمات المتعلقة بين الطائرات بدون طيار و Hi-Target vRTK ولا تسبب فروقًا كبيرة في دقة الصورة، لذلك فإن دمج النمذجة قوي، والنموذج ثلاثي الأبعاد الناتج طبيعي ودقيق.

(4) عملت الصور الأرضية الملتقطة بواسطة Hi-Target vRTK على استكمال وتحسين التفاصيل والأنماط المحلية للمبنى بشكل فعال، وحلت مشكلة الحصول على أنماط المبنى تحت الأفاريز ومحجوبة بالأشجار.