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A arquitetura antiga é um testemunho da civilização humana e de sua história. É parte integrante do nosso patrimônio cultural, mas, infelizmente, devido à degradação natural causada por fatores geográficos, está desaparecendo lentamente. Com o advento da tecnologia 3D, no entanto, agora podemos recriar algumas dessas grandes obras com detalhes vívidos! Essa tecnologia não só nos permite proteger melhor as estruturas antigas de uma deterioração ainda maior, como também as preserva para a posteridade.

Histórico do projeto

A pedido de um cliente, o estúdio UAV e a Escola de Arquitetura e Engenharia de uma escola na província de Hunan, China, realizaram um trabalho preciso de modelagem 3D em dois importantes sítios históricos – a antiga residência de Huang Xing e a antiga casa de Xu Guangda. O primeiro é oficialmente listado como uma importante unidade de proteção de relíquias culturais, cobrindo uma área de 6,45 acres. Por outro lado, Xu Guangda também é conhecido por ser um acadêmico influente durante sua vida, que deixou para trás muitas obras valiosas até hoje. Por meio dos resultados de nossa pesquisa, obtidos por fotos aéreas de alta definição combinadas com a análise de dados de tecnologia de sensoriamento remoto terrestre, coletados por meio de veículos aéreos não tripulados (VANTs), esperamos compreender melhor suas histórias nas gerações futuras, preservando, ao mesmo tempo, sua herança cultural para fins de estudos futuros.

Análise de Pontos de Dor

A modelagem 3D tradicional frequentemente se baseia em dados coletados por fotografia de inclinação de UAV; no entanto, esse método tem suas próprias limitações que não atendem às necessidades da modelagem fina de edifícios. Primeiro, devido a problemas de ângulo e distância, ele não consegue capturar uma textura detalhada o suficiente para a fachada. Segundo, muitos edifícios tradicionais têm beirais largos, o que pode ser difícil ou impossível de capturar por meio de fotografia de inclinação de UAV. Terceiro, a obstrução de árvores ao redor do edifício impede que a fotografia de inclinação de UAV capture a textura da fachada do edifício completamente.

Para compensar algumas dessas inadequações do método de modelagem de fotografia de inclinação de UAV, métodos suplementares são comumente utilizados, como o controle manual do UAV para tirar fotos adicionais de fachadas e detalhes de edifícios – mas mesmo assim ainda existem desafios devido à sua natureza limitante, sendo adequado apenas para estruturas altas ou grandes com espaço suficiente ao redor dos edifícios. A antiga residência neste projeto é uma casa térrea e há árvores altas ao redor, portanto, este método foi identificado como apresentando maiores riscos de segurança do que outros métodos disponíveis. Portanto, não é adequado para uso. Outro método é tirar fotos adicionais do edifício, como a fachada e os detalhes de edifícios residenciais, manualmente no solo usando uma câmera normal. No entanto, este método também apresenta dificuldades adicionais na integração das fotos comuns e aéreas na fase de pós-processamento, pois não há dados precisos de posição POS nas fotos comuns nem falta de camadas e sobreposição eficazes com fotos aéreas; além disso, a resolução e o tamanho do ponto de imagem CMOS entre câmeras comuns e câmeras de levantamento aéreo são diferentes. Portanto, este método não é aplicável.

Essa limitação dos métodos tradicionais de modelagem 3D levou especialistas do setor a explorar alternativas para a modelagem fina de edifícios.

Programa de Implementação

A tarefa adota o sistema de procedimento colaborativo Hi-Target vRTK + UAV para refinar modelos 3D. Utilizamos fotografia de inclinação com UAV para obter imagens do telhado e da elevação, e vRTK para capturar imagens da fachada do edifício. Posteriormente, mesclamos os resultados da aerotriangulação, obtidos a partir do cálculo separado da aerotriangulação, para modelagem 3D direta.

O benefício mais significativo desta solução é que as imagens capturadas pelo vRTK, um GNSS RTK com tecnologia de posicionamento de imagem, contêm dados POS precisos (precisão de nível RTK), mas também compartilham o mesmo sistema de coordenadas, e não há necessidade de definir pontos de conexão ou pontos de controle de imagem ao calcular a aerotriangulação.
Este método reduz a carga de trabalho e torna o trabalho de escritório mais fácil do que antes.

Fluxo de trabalho

1. Aplicação física

1) Fotografia de inclinação de UAV
Aplicando o método de fotografia com inclinação de cinco direções ao usar um UAV de marca chinesa para fotografia aérea inclinada.

2) Fotografia terrestre de curto alcance vRTK
Usando o vRTK para tirar fotos em close de paredes de edifícios que precisam ser capturadas em foco, bem como de superfícies escondidas por árvores.
O método de disparo geralmente consiste em obter uma fachada como objeto e realizar as filmagens de forma que as imagens vizinhas sejam sobrepostas, o posicionamento da câmera seja próximo e distante, e a visão possa ser inclinada, conforme mostrado a seguir.

No processo, a fotografia terrestre de curto alcance Hi-Target vRTK para captura de imagens adicionais deve compartilhar o mesmo sistema de coordenadas e sistema de elevação com a fotografia de inclinação do UAV. O geoide, o Sistema de Coordenadas Geodésicas da China 2000 e a estação base CORS da China Mobile são utilizados neste projeto. Após duas horas de operação, o técnico concluiu o conjunto de dados físicos das duas antigas residências.

2. Processamento de dados

As fotos aéreas coletadas pelo UAV e as fotos em close-up do edifício coletadas pelo Hi-Target vRTK são processadas por aerotriangulação, respectivamente, e todos os resultados da aerotriangulação são combinados para modelagem 3D na última etapa. O processamento total dos dados leva duas horas.

Resultado

Por meio do modelo 3D gerado, é perceptível que as imagens adicionais tiradas pelo vRTK melhoraram muito a textura da fachada do edifício e complementaram os elementos de beiral e o sombreamento das árvores ausentes no modelo de fachada do edifício pela fotografia de inclinação do UAV.

Em comparação com o modelo 3D gerado apenas pela fotografia inclinada do UAV, o modelo 3D gerado desta vez pode mostrar claramente a estrutura detalhada do edifício, e tanto os elementos arquitetônicos na fachada, sob os beirais e árvores, quanto os elementos culturais que dão suporte ao edifício podem ser exibidos com precisão para atender às necessidades do projeto.

Resumo do Projeto

Por meio da implementação deste projeto, as seguintes conclusões podem ser tiradas.

(1) O método de aplicação do Hi-Target vRTK para compensar os disparos terrestres, em conjunto com a fotogrametria de UAV, melhora significativamente a eficiência do trabalho. A coleta de dados de campo em uma área total de 8,07 acres das duas antigas residências leva apenas duas horas.

(2) As fotos vRTK Hi-Target com dados POS compartilham o mesmo sistema de coordenadas que as fotos aéreas do UAV, permitindo a modelagem interna sem usar pontos de conexão e mesclando diretamente os resultados da aerotriangulação para modelagem, o que simplifica o processo de operação interna, reduz a carga de trabalho da indústria interna e melhora a eficiência do processamento interno, levando apenas 2 horas para concluir a construção do modelo refinado.

(3) Os parâmetros relacionados entre UAV e Hi-Target vRTK são próximos e não causam grandes diferenças na resolução da imagem, portanto a fusão da modelagem é forte e o modelo 3D gerado é natural e fino.

(4) As fotos terrestres tiradas pelo Hi-Target vRTK complementaram e melhoraram os detalhes e texturas locais do edifício de forma eficaz e resolveram o problema de obtenção das texturas do edifício sob os beirais e obscurecido pelas árvores.