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La arquitectura antigua es un testimonio de la civilización humana y su historia. Forma parte integral de nuestro patrimonio cultural, pero lamentablemente, debido al deterioro natural causado por factores geográficos, se está desvaneciendo lentamente. Sin embargo, con la llegada de la tecnología 3D, ¡ahora podemos recrear algunas de estas grandes obras con gran detalle! Esta tecnología no solo nos permite proteger mejor las estructuras antiguas de un mayor deterioro, sino que también las preserva para la posteridad.

Antecedentes del proyecto

A petición de un cliente, el estudio UAV y la Escuela de Arquitectura e Ingeniería de la provincia de Hunan, China, han realizado un modelado 3D preciso de dos importantes sitios históricos: la antigua residencia de Huang Xing y la antigua casa de Xu Guangda. El primero está oficialmente catalogado como importante unidad de protección de reliquias culturales, con una superficie de 2,6 hectáreas. Por otro lado, Xu Guangda también es conocido por ser un erudito influyente en vida, quien dejó numerosas obras valiosas hasta la actualidad. Mediante los resultados de nuestra investigación, obtenidos mediante fotografías aéreas de alta definición y análisis de datos de teledetección terrestre recopilados mediante vehículos aéreos no tripulados (UAV), esperamos comprender mejor sus historias para las generaciones futuras, a la vez que preservamos su patrimonio cultural para futuros estudios.

Análisis de puntos de dolor

El modelado 3D tradicional suele basarse en datos recopilados mediante fotografía de inclinación con UAV. Sin embargo, este método presenta limitaciones que no satisfacen las necesidades del modelado preciso de edificios. En primer lugar, debido a problemas de ángulo y distancia, no puede capturar una textura lo suficientemente detallada para la fachada. En segundo lugar, muchos edificios tradicionales tienen aleros anchos, lo que puede ser difícil o imposible de capturar mediante fotografía de inclinación con UAV. En tercer lugar, la obstrucción de árboles alrededor del edificio impide que la fotografía de inclinación con UAV capture la textura completa de la fachada.
Para compensar algunas de estas deficiencias del método de modelado fotográfico de inclinación con UAV, se suelen utilizar métodos complementarios, como el control manual del UAV para tomar fotografías adicionales de las fachadas y los detalles de los edificios. Sin embargo, aun así, persisten los desafíos debido a su naturaleza limitada, siendo solo adecuado para estructuras altas o grandes con suficiente espacio libre alrededor. La antigua residencia en este proyecto es una casa de una sola planta y está rodeada de árboles altos, por lo que se ha identificado que este método presenta mayores riesgos de seguridad que otros métodos disponibles. Por lo tanto, no es adecuado. Otro método consiste en tomar fotografías adicionales del edificio, como la fachada y los detalles de las viviendas, manualmente desde el terreno utilizando una cámara convencional. Sin embargo, este método también dificulta la integración de las fotos comunes y aéreas en la etapa de posprocesamiento, ya que no se dispone de datos precisos de la posición POS en las fotos comunes ni se carece de una superposición efectiva con las fotos aéreas. Además, la resolución y el tamaño de punto de imagen CMOS entre las cámaras convencionales y las cámaras de reconocimiento aéreo son diferentes. Por lo tanto, este método no es aplicable.

Esta limitación de los métodos tradicionales de modelado 3D ha llevado a los expertos de la industria a explorar alternativas para el modelado fino de edificios.

Programa de Implementación

La tarea adopta el sistema de procedimiento colaborativo Hi-Target vRTK + UAV para refinar los modelos 3D. Se aplicó la fotografía de inclinación del UAV para obtener imágenes de la cubierta y la elevación, y vRTK para capturar imágenes de la fachada del edificio. Posteriormente, se combinaron los resultados de la aerotriangulación, obtenidos mediante el cálculo independiente de la aerotriangulación, para el modelado 3D directo.

El beneficio más significativo de esta solución es que las imágenes tomadas por vRTK, un GNSS RTK con tecnología de posicionamiento de imagen, contienen datos POS precisos (precisión de nivel RTK) pero también comparten el mismo sistema de coordenadas y no es necesario establecer puntos de conexión o puntos de control de imagen al calcular la aerotriangulación.
Este método reduce la carga de trabajo y hace que el trabajo de oficina sea más fácil que antes.

Flujo de trabajo

1. Aplicación física

1) Fotografía de inclinación con UAV
Aplicación del método de fotografía de inclinación de cinco direcciones cuando se utiliza un UAV de marca china para fotografía aérea de inclinación.

2) Fotografía terrestre de corto alcance vRTK
Utilizando vRTK para tomar fotografías de cerca de paredes de edificios que necesitan ser capturadas enfocadas, así como de superficies que están ocultas por árboles.
El método de disparo es generalmente tomar una fachada como objeto y realizar tomas en las que las imágenes vecinas se superponen, la ubicación de la cámara con distancias cercanas y lejanas y la vista se puede inclinar, como se muestra a continuación.

Durante el proceso, la fotografía terrestre de corto alcance Hi-Target vRTK para tomar imágenes adicionales debe compartir el mismo sistema de coordenadas y elevación que la fotografía de inclinación del UAV. En este proyecto se utilizan el geoide, el Sistema de Coordenadas Geodésicas de China 2000 y la estación base CORS de China Mobile. Tras dos horas de operación, el técnico completó el conjunto de datos físicos de las dos antiguas viviendas.

2. Tratamiento de datos

Las fotos aéreas capturadas por el UAV y las fotos de primer plano del edificio capturadas por Hi-Target vRTK se procesan mediante aerotriangulación, respectivamente. En la última etapa, todos los resultados se combinan para el modelado 3D. El procesamiento de todos los datos requiere dos horas.

Resultado

A través del modelo 3D generado, se nota que las imágenes adicionales tomadas por el vRTK mejoraron en gran medida la textura de la fachada del edificio y complementaron los miembros del alero faltantes y el sombreado de los árboles del modelo de la fachada del edificio faltante mediante la fotografía de inclinación del UAV.

En comparación con el modelo 3D generado solo a partir de la fotografía de inclinación del UAV, el modelo 3D generado esta vez puede mostrar claramente la estructura detallada del edificio, y tanto los elementos arquitectónicos en la fachada, debajo de los aleros y los árboles, como los elementos culturales que sostienen el edificio se pueden mostrar con precisión para satisfacer las necesidades del proyecto.

Resumen del proyecto

A través de la implementación de este proyecto se pueden extraer las siguientes conclusiones.

(1) El método de aplicación del Hi-Target vRTK para compensar las tomas terrestres, junto con la fotogrametría con UAV, mejora considerablemente la eficiencia del trabajo. Se necesitan solo dos horas para completar la toma de datos de campo de un área total de 8,07 acres de las dos antiguas residencias.

(2) Las fotos vRTK de Hi-Target con datos POS comparten el mismo sistema de coordenadas que las fotos aéreas del UAV, lo que permite el modelado interno sin usar puntos de conexión y fusionar directamente los resultados de la aerotriangulación para el modelado, lo que simplifica el proceso de operación interna, reduce la carga de trabajo de la industria interna y mejora la eficiencia del procesamiento interno al tomar solo 2 horas para completar la construcción del modelo refinado.

(3) Los parámetros relacionados entre UAV y Hi-Target vRTK son cercanos y no causan grandes diferencias en la resolución de la imagen, por lo que la fusión del modelado es fuerte y el modelo 3D generado es natural y fino.

(4) Las fotografías terrestres tomadas por Hi-Target vRTK complementaron y mejoraron los detalles y las texturas locales del edificio de manera efectiva y resolvieron el problema de obtener las texturas del edificio debajo de los aleros y oscurecido por los árboles.