Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків
The creation of three-dimensional models of buildings using aerospace images in recent years has become a very relevant and sought-after area, since such models are now used in various fields of human activity. Currently, the creation of such models can be performed in various ways: using stereo sho...
Saved in:
| Date: | 2020 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
2020
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/188323 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | System research and information technologies |
| Download file: |  |
Institution
System research and information technologies| _version_ | 1866391916566806528 |
|---|---|
| author | Habraman, H. Mozhovoy, D. K. |
| author_facet | Habraman, H. Mozhovoy, D. K. |
| author_sort | Habraman, H. |
| baseUrl_str | http://journal.iasa.kpi.ua/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2020-08-11T08:50:57Z |
| description | The creation of three-dimensional models of buildings using aerospace images in recent years has become a very relevant and sought-after area, since such models are now used in various fields of human activity. Currently, the creation of such models can be performed in various ways: using stereo shooting from a satellite, taking pictures from a quadcopter, measuring by an airplane lidar by scanning a building from the Earth. But all these methods require expensive equipment and highly qualified professionals, which is a limiting factor for the widespread use of these technologies by ordinary users. The purpose of this article was to show an alternative solution for creating three-dimensional models of buildings based on satellite imagery and free software. In this work, we used the well-known software packages – Google Earth and SketchUp. |
| doi_str_mv | 10.20535/SRIT.2308-8893.2020.1.02 |
| first_indexed | 2025-07-17T10:26:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
Х. Хабраман, Д.К. Мозговой, 2020
Системні дослідження та інформаційні технології, 2020, № 1 21
УДК 004.92
DOI: 10.20535/SRIT.2308-8893.2020.1.02
РЕКОНСТРУКЦИЯ 3D МОДЕЛЕЙ ЗДАНИЙ ПО ИХ ТЕНЯМ
С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ СНИМКОВ
Х. ХАБРАМАН, Д.К. МОЗГОВОЙ
Аннотация. Создание трехмерных моделей зданий с помощью аэрокосмиче-
ских снимков в последние годы стало очень актуальным и востребованным
направлением, поскольку такие модели сейчас используются в различных об-
ластях человеческой деятельности. В настоящее время такие модели можно
создавать различными методами: с помощью стереосъемки со спутника, фото-
съемки с квадрокоптера, измерения самолетным лидаром сканированием
здания с Земли. Эти методы требуют дорогостоящего оборудования и
высококвалифицированных специалистов, что является сдерживающим
фактором для широкого использования таких технологий рядовыми
пользователями. Показано альтернативное решение для создания трехмерных
моделей зданий на основе спутниковых снимков и бесплатного программного
обеспечения. Использованы известные пакеты программ Google Earth и
SketchUp.
Ключевые слова: фотограмметрия, геоинформационные системы, спутнико-
вые снимки, 3D моделирование.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы для создания трехмерных моделей зданий широко приме-
няют методы, которые используют стереосъемку со спутника, фотосъемку
сквадрокоптера, измерения самолетным лидаром или лазерное сканирова-
ние здания с Земли [1–3]. Такие методы требуют дорогостоящего современ-
ного оборудования, дорогостоящих программ и опытных специалистов. Эти
факторы препятствуют широкому внедрению методов трехмерного модели-
рования в процессы решения широкого спектра прикладных задач (напри-
мер, рядовому пользователю создать 3D-модель своего района). В настоя-
щее время все это может быть доступным, выполнятся быстро, качественно
и бесплатно. Стоимость программ, используемых в предлагаемой техноло-
гии и методах, минимальна по сравнению со стоимостью программного и
аппаратного обеспечения иных методов, которые традиционно используют-
ся в этой сфере [4]. Это позволяет использовать их широкому кругу непод-
готовленных пользователей при производстве 3D-моделей жилых районов,
отдельных высотных зданий или городских территорий.
Возможные пути решения проблемы. Основная идея предложенного
метода — это определение высоты зданий относительно поверхности Земли
с помощью векторных изображений теней, полученных по спутниковым
снимкам сверхвысокого пространственного разрешения. В исследовании
была использована одна из самых известных программ визуализации спут-
никовых снимков Google Earth Pro [6].
Х. Хабраман, Д.К. Мозговой
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2020, № 1 22
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Актуальность проводимых исследований обусловлена следующими факторами.
1. Предлагается методика доступной и недорогой технологии форми-
рования трехмерных изображений многоэтажных зданий, в которой для оп-
ределения высоты здания используются спутниковые снимки сверхвысокого
пространственного разрешения.
2. Использование предложенной методики даёт возможность большому
количеству неспециалистов в области трехмерного моделирования и обработ-
ки спутниковых данных достаточно просто создавать упрощенные цифро-
вые модели местности для небольших территорий.
3. Предлагаемый метод создания упрощенных 3D-моделей для ограни-
ченных территорий подойдет всем пользователям, которые не могут купить
дорогие рабочие станции и программное обеспечение для лазерного скани-
рования, квадрокоптеры, а также заказать спутниковую стереосъемку.
Цели исследований
1. Разработать методику трехмерного моделирования с многоэтажной
городской застройки и промышленных объектов с использованием спутни-
ковых снимков сверхвысокого пространственного разрешения.
2. Выполнить экспериментальное тестирование предложенной методи-
ки с использованием программ Google Earth и SketchUp.
3. Оценить возможность использования результатов трехмерного мо-
делирования многоэтажных зданий для изготовления трехмерных карт.
Основная часть. Спутниковые снимки, используемые в предлагаемой
методике, должны содержать изображения двух зданий, одно из которых
используется в качестве 3D эталона (известна его высота). В исследовании
таким зданием является главный корпус Днепровского национального уни-
верситета (ДНУ), который имеет 13 этажей (рис. 1). Второе здание с неиз-
вестной высотой выбирается произвольно.
Рис. 1. Главный корпус ДНУ: а — исходный спутниковый снимок в программе
Google Earth; б — 3D вид в программе Google Earth
a б
Реконструкция 3D моделей зданий по их теням с помощью спутниковых снимков
Системні дослідження та інформаційні технології, 2020, № 1 23
Таким образом, в качестве исходных данных использована известная
высота первого здания. Кроме того, для работы применены космические
фотоснимки для этих обоих зданий в одно и то же время (т.е. для одного
угла Солнца). Известна также высота первого здания в качестве 3D на карте.
С помощью космических фотоснимков можно измерить длину тени этого
здания в программе Google Earth (рис. 2). Учитывая, что первое здание име-
ет вертикальный фасад, будет получен прямоугольный треугольник, образо-
ванный фасадом здания и тенью здания на Земле, угол между которыми ра-
вен 90о. Поскольку известна длина двух сторон этого треугольника (т.е. его
катетов), то согласно формуле тангенса можно найти острый угол С (рис. 3).
Рис. 2. Измерение длины тени главного корпуса ДНУ на снимке из Google Earth
Рис. 3. Прямоугольный треугольник, образованный известными длиной тени
и высотой здания (снимок из Google Earth)
Х. Хабраман, Д.К. Мозговой
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2020, № 1 24
Выполним несложные вычисления.
Дано: 3,43h м (высота корпуса
ДНУ); 6,53y м (длина тени корпуса
ДНУ) ; 90b .
Найти: ?c
Решение:
.807,0
6,53
3,43
tg
y
h
c
Из таблицы тангенсов находим:
39)807,0(tgarc .
Определение высоты другого здания на снимке по его тени и по-
следующее построение 3D-модели. Неподалёку от здания ДНУ располо-
жено двухэтажное здание компании DHL (рис. 4), которого нет на карте
в качестве 3D, и не известны его высота и контуры. Это и будет второе зда-
ние, выбранное для исследования.
Теперь по методике можно рассчитать высоту второго здания, посколь-
ку известны длина тени этого здания и угол Солнца. Спутниковые снимки
выполнены с одного угла, поэтому углы С и С1 одинаковы для обоих тре-
угольников. Согласно формуле тангенса, приведенной выше, мы можем
рассчитать высоту второго здания. Поскольку известна высота второго зда-
ния, которого нет в виде 3D модели на карте (рис. 5), контуры здания в пла-
не можно определить с помощью спутниковой съемки в надир (вид сверху)
и создать 3D модель здания с помощью программы SketchUp [7].
z
c b y
a
h
Рис. 4. Здание компании DHL (снимок из Google Earth)
Реконструкция 3D моделей зданий по их теням с помощью спутниковых снимков
Системні дослідження та інформаційні технології, 2020, № 1 25
Выполним несложные вычисления:
Дано: 901 b ; 391 c ; 60,101 y м.
Найти: ?1 h
Решение: 111
1
1
1 tgtg cyh
y
h
c
м55,8807,060,10 .
1
2
Рис 5. Снимок из Google Earth: 1 — здание главного корпуса ДНУ (есть в 3D и
известна его высота); 2 — здание компании DHL (нет в 3D и не известна его высота)
z1
c1 b1y1
a1
h1
Рис 6. Результат исследования для здания главного корпуса ДНУ в качества 3D
в программах SketchUp и Google Earth
Х. Хабраман, Д.К. Мозговой
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2020, № 1 26
Используя результаты расчета, можно нарисовать это здание в виде
3D-модели с помощью программы SketchUp (рис. 6, 7). Фото здания компа-
нии DHL в реальности показано на рис. 8.
Области практического применения. Предложенную методику
можно использовать в различных областях:
1. Создание исторических трехмерных моделей местности по архив-
ным спутниковым снимкам сверхвысокого пространственного разрешения.
Рис. 7. Результат: 3D модель здания компании DHL, созданная в программе SketchUp
Рис. 8. Фото здания компании DHL в реальности (снимок из Google Maps)
Реконструкция 3D моделей зданий по их теням с помощью спутниковых снимков
Системні дослідження та інформаційні технології, 2020, № 1 27
2. Создание реалистичной трехмерной среды, которая полезна для
предварительного планирования строительства дорожных, промышленных
и архитектурных объектов, а также для туристов.
3. Исследование расширения городов и его влияния на загрязнение ат-
мосферы городской среды, где многоэтажные здания препятствуют движе-
нию воздуха в этой среде.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
На основе проведенного теоретического исследования выполнено экспери-
ментальное тестирование предложенной методики трехмерного моделиро-
вания с многоэтажной городской застройки и промышленных объектов с
использованием спутниковых снимков сверхвысокого пространственного
разрешения.
Разработанная методика имеет следующие преимущества:
1. Возможность изготовления цифровых карт и осуществление трех-
мерного моделирования зданий, пригодных для использования многими
пользователями, не являющимися специалистами в области обработки спут-
никовых снимков и изготовления трехмерных карт.
2. Использование методологии позволяет снизить финансовые и вре-
менные затраты и не требует высокой квалификации пользователей.
3. Результаты, полученные в ходе исследования, подтвердили возмож-
ность использования предложенной методики для трехмерного моделирова-
ния многоэтажной городской застройки и промышленных объектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Omar al-Khalil. 3D Modeling of Urban Areas by Close Range Photogrammetry
Software & Geographic Information System (GIS) / Omar al-Khalil, Ahmad Ali
// Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies. — Engineer-
ing Sciences Series. — 2014. — Vol. 36. — N 6. — P. 27–39.
2. Сатыбалдина Л.С. Современные методы и технологии аэрокосмических съе-
мок и фотограмметрии и 3D-моделирования / Л.С. Сатыбалдина // Казах-
ский агротехнический университет Астана. — 2012. — № 34. — С. 73–77.
3. Гук А.П. Некоторые проблемы построения реалистических измерительных
3D моделей по данным дистанционного зондировании. / А.П. Гук,
M.M. Шляхова // Вестник-СГУГиТ. — Вып. 4 (32). — 2015. — С. 51–60.
4. Hanan Darwishe. Procedural 3D Modeling of Cities in Geographic Information Sys-
tems Environment Using ESRI Cityengine / Hanan Darwishe, Fadi Chaaban //
Al-Baath University Engineering Journal. — 2017. — Vol. 39. — N 11. —
P. 82–108.
5. Fayez Deeb. Documentation of Historic Monuments Using Multi-Images 3D
Modelling / Fayez Deeb, Omar.al-Khalil // Damascus University Journal for En-
gineering Sciences. — 2012. — Vol. 28. — P. 357–366.
6. Earth Versions – Google Earth. — Available at: https://www.google.com/earth/ ver-
sions/ #earth-for-web.
7. SketchUp. — Available at: https://www.sketchup.com.
Поступила 13.01.2020
|
| id | journaliasakpiua-article-188323 |
| institution | System research and information technologies |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-07-17T10:26:34Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | journaliasakpiua/69/aa4ae11ff1726e4f958dcced94ce0469.pdf |
| spelling | journaliasakpiua-article-1883232020-08-11T08:50:57Z Reconstruction of 3D models of buildings from their shadows using satellite images Реконструкция 3D моделей зданий по их теням с помощью спутниковых снимков Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків Habraman, H. Mozhovoy, D. K. фотограмметрия геоинформационные системы спутниковые снимки 3D моделирование фотограмметрія геоінформаційні системи супутникові знімки 3D моделювання photogrammetry geographic information systems satellite imagery 3D modeling The creation of three-dimensional models of buildings using aerospace images in recent years has become a very relevant and sought-after area, since such models are now used in various fields of human activity. Currently, the creation of such models can be performed in various ways: using stereo shooting from a satellite, taking pictures from a quadcopter, measuring by an airplane lidar by scanning a building from the Earth. But all these methods require expensive equipment and highly qualified professionals, which is a limiting factor for the widespread use of these technologies by ordinary users. The purpose of this article was to show an alternative solution for creating three-dimensional models of buildings based on satellite imagery and free software. In this work, we used the well-known software packages – Google Earth and SketchUp. Создание трехмерных моделей зданий с помощью аэрокосмических снимков в последние годы стало очень актуальным и востребованным направлением, поскольку такие модели сейчас используются в различных областях человеческой деятельности. В настоящее время такие модели можно создавать различными методами: с помощью стереосъемки со спутника, фотосъемки с квадрокоптера, измерения самолетным лидаром сканированием здания с Земли. Эти методы требуют дорогостоящего оборудования и высококвалифицированных специалистов, что является сдерживающим фактором для широкого использования таких технологий рядовыми пользователями. Показано альтернативное решение для создания трехмерных моделей зданий на основе спутниковых снимков и бесплатного программного обеспечения. Использованы известные пакеты программ Google Earth и SketchUp. Створення тривимірних моделей будівель за допомогою аерокосмічних знімків в останні роки стало дуже актуальним і затребуваним напрямом, оскільки такі моделі використовуються в різних галузях людської діяльності. Натепер ці моделі можна створювати різними методами: за допомогою стереозйомки із супутника, фотозйомки з квадрокоптера, вимірювання літаковим лідаром сканування будівлі із Землі. Ці методи потребують дорогого устаткування і висококваліфікованих фахівців, що є стримувальним фактором для широкого використання таких технологій рядовими користувачами. Показано альтернативне рішення для створення тривимірних моделей будівель на основі супутникових знімків і безкоштовного програмного забезпечення. Використано відомі пакети програм Google Earth і SketchUp. The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" 2020-06-23 Article Article application/pdf https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/188323 10.20535/SRIT.2308-8893.2020.1.02 System research and information technologies; No. 1 (2020); 21-27 Системные исследования и информационные технологии; № 1 (2020); 21-27 Системні дослідження та інформаційні технології; № 1 (2020); 21-27 2308-8893 1681-6048 ru https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/188323/209243 Copyright (c) 2021 System research and information technologies |
| spellingShingle | фотограмметрія геоінформаційні системи супутникові знімки 3D моделювання Habraman, H. Mozhovoy, D. K. Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків |
| title | Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків |
| title_alt | Reconstruction of 3D models of buildings from their shadows using satellite images Реконструкция 3D моделей зданий по их теням с помощью спутниковых снимков |
| title_full | Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків |
| title_fullStr | Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків |
| title_full_unstemmed | Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків |
| title_short | Реконструкція 3D моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків |
| title_sort | реконструкція 3d моделей будівель за їх тінями за допомогою супутникових знімків |
| topic | фотограмметрія геоінформаційні системи супутникові знімки 3D моделювання |
| topic_facet | фотограмметрия геоинформационные системы спутниковые снимки 3D моделирование фотограмметрія геоінформаційні системи супутникові знімки 3D моделювання photogrammetry geographic information systems satellite imagery 3D modeling |
| url | https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/188323 |
| work_keys_str_mv | AT habramanh reconstructionof3dmodelsofbuildingsfromtheirshadowsusingsatelliteimages AT mozhovoydk reconstructionof3dmodelsofbuildingsfromtheirshadowsusingsatelliteimages AT habramanh rekonstrukciâ3dmodelejzdanijpoihtenâmspomoŝʹûsputnikovyhsnimkov AT mozhovoydk rekonstrukciâ3dmodelejzdanijpoihtenâmspomoŝʹûsputnikovyhsnimkov AT habramanh rekonstrukcíâ3dmodelejbudívelʹzaíhtínâmizadopomogoûsuputnikovihznímkív AT mozhovoydk rekonstrukcíâ3dmodelejbudívelʹzaíhtínâmizadopomogoûsuputnikovihznímkív |