تلفيق داده هاي ليزراسكن زميني و فتوگرامتري برد كوتاه با روش ماتريس نگاشت، جهت توليد مدل سه بعدي با بافت واقعي

The Combining of Terrestrial Laser Scanning and Close Range Photogrammetry Data by Projection Matrix to Produce 3D Models with True Textures

امروزه تركیب داده­های فتوگرامتری بردكوتاه و لیزر اسكن زمینی بعنوان روش موثر و دقیق برای مستندساری و مدلسازی سه بعدی از ساختمان های پیچیده و سایت­های است كه مورد توجه بسیاری از موسسات و سازمان­ها بوده و هست. در كنار روشهای متداول تولید ارتوفتو و مدل­های سه بعدی با بافت واقعی،  فتوگرامتری بردكوتاه و لیزراسكن، مكمل هم بوده و تركیب داده­های آنها در اغلب كاربردها بطور فزاینده­ای معمول گردیده است. لیزراسكنرها درحین جمع­آوری داده­های سه بعدی، قادر به تهیه تصاویر بافت نیز هستند ولی به دلایلی این تصاویر در كاربردهای نگاشت بافت، قابل استفاده نیستند. تصاویر بافت، جداگانه با كیفیت خوب، در زمان مناسب و از موقعیت­های مطلوب با استفاده از اصول فتوگرامتری تهیه می­شوند. این مقاله، به بررسی جامع روند بازسازی بناهای باستانی به روش ماتریس نگاشت پرداخته است. تحقیق حاضر، مطالعه موردی بر روی دو سری داده­های واقعی از ابنیه­های باستانی كشورمان، گنبد ابركوه استان یزد و پل سنگی لرستان، بوده كه می­تواند هم برای تهیه مستندات لازم جهت تثبیت ملی یا جهانی  و هم در مدلسازی سه بعدی برای اهداف مختلف  مورد استفاده قرار گیرد. در این تحقیق، علاوه بر روش ماتریس نگاشت، مدل­های ریاضی مختلف در ادغام داده­ها مورد بررسی قرار گرفت و از چندین تصاویر بافت استفاده گردید كه  بكارگیری چندین تصویر بافت علاوه بر ارتقاء كیفیت، باعث بهبود هندسه و دقت نتایج می­گردد. بررسی نتایج نشان داد كه خطاها و اعوجاجات رنگی،  علاوه بر نوع مدل ریاضی مورد استفاده، به دقت نقاط اندازه گیری در فضای تصویر و ابر نقاط نیز وابستگی شدید دارد. همچنین، بررسی و آنالیز خطاهای حاصل از دو روش، تبدیل خطی مستقیم تكراری و روش ماتریس نگاشت، نشان داد كه میانگین خطاها در دو جهت مختصات طولی و عرضی در روش ماتریس نگاشت به ترتیب، در ابرنقاط پل سنگی لرستان0.15 و 0.33 در واحد پیكسل و در ابرنقاط ابركوه یزد -4.24E-13 و 7.67E-14 در واحد پیكسل بود. در مقابل، این خطاها برای روش تبدیل خطی مستقیم تكراری به ترتیب  -2.38 و-5.79E-10  برای ابر نقاط اول و 5.40E-5 و 3.64E-5 در واحد پیكسل برای ابر نقاط دوم محاسبه گردید. لذا علاوه بر كاهش میزان خطاها در روش ماتریس نگاشت، بیانگر مناسب بودن این روش نسبت به سایر روش­های بكار رفته دارد.  همچنین، مزیت اصلی این روش این است كه نیاز به مقادیر اولیه ندارد و به صورت ضرب ماتریسی عمل می­كند كه استفاده از آن بعنوان یك روش با ثبات برای تولید ارتوفتو صحیح و مدل­های سه بعدی با بافت واقعی توصیه می­شود.

Nowadays the generation of a three-dimensional (3D) model is mainly achieved using non-contact systems based on light waves, in particular using active or passive sensors. We can currently distinguish four alternative methods for object and scene modeling: (i) image-based rendering, which does not include the generation of a geometric 3D model but, it might be considered a good technique for the generation of virtual views; (ii)  image-based modeling  (e.g. photogrammetry), the widely used method for geometric surfaces of architectural objects, precise terrain and city modeling as well as Cultural Heritage documentation; (iii) range-based modeling (e.g. laser scanning), which is becoming a very common approach for the scientific community but also for non-expert users such as Cultural Heritage professionals; (iv) combination of image- and range-based modeling, as they both have advantages and disadvantages and their integration can allow the generation of complete and detailed 3D models efficiently and quickly. Moreover, 3D  models of outdoors objects by means of terrestrial laser scanner (TLS) point clouds has been  one of  the most  important and  reliable  technical methods. However, TLS point clouds have two main drawbacks. They donʹt have sufficient information about the object texture, and sometimes a complete perspective of the facades cannot be obtained due to irregular circumstances. Advances in both TLS hardware and photogrammetric solutions combined are creating increasingly more precise and rich 3D colored models. The combining of close-range photogrammetry and TLS data have been shown to be effective and accurate techniques for the 3-dimensional documentation of complex buildings and sites, which is considered, by many institutions and organizations. In this paper the 3D model generation of two historical building based on the combination of two different surveying techniques has been presented. The main goal of the work was to merge in a unique result data derived from close-range photogrammetry and from TLS in such a way that the final model could be seamlessly explored. Close range photogrammetry and Laser scan, complementary, and combine their data in most applications is increasingly common. Laser scanner while collecting 3D data, are able to produce images of texture mapping applications, but for some reason these images cannot be used. Texture images separately with good quality, at the suitable time and the appropriate conditions are provided using the principles of photogrammetry. This paper explores the projection matrix method is a comprehensive reconstruction of ancient buildings. This research is a case study on two series of real data from our ancient monuments, Abarkooh dome in Yazd province and stone bridge of Lorestan, which can be used to provide documentation verifying in national or international scale and three-dimensional modeling to be used for different purposes. In this study along with projection matrix method, other mathematical models were examined using multiple texture images for produce 3D models with true textures. The use of multiple texture images improved quality, geometry and accuracy of the results in texture mapping. The results indicated that the errors and distortions of RGB colors, is depends to the accuracy of the measurement in the space of the image and cloud points and the mathematical models. Also, check average of errors in the two transverse and longitudinal coordinates, indicating the projection matrix method was suitable in compared to other methods. In general, the projection matrix method is computationally more easily and geometrically more accurate than other models which is tested in this study. The values of errors in the projection matrix method are 0.15 and 0.33 (pixel) in the stone bridge of Lorestan and -4.24E-13 and 7.67E-14 in the Abarkooh dome in pixel units, respectively. In contrast, the errors of iterative direct linear transformation method are -2.38 and -5.79 E-10 for the first point clouds and 5.40E-5 and 3.64E-5 in pixel units for the second point clouds, respectively. Therefore, the main advantage of the projection matrix method is that it requires no initial values and it operated as matrix multiplication for producing three-dimensional models with realistic textures that is recommended as a stable method.