Wizualizacja 3d wybranego obszaru Ptolemais

Niewątpliwą popularność zyskują obecnie modele trójwymiarowe. Modelować można już właściwie wszystko – zaczynając od powierzchni ziemi, obiektów architektonicznych, rzeźb, a na ciele człowieka kończąc. Wizualizacje 3D są niezwykle czytelne, pozwalają na pewnego rodzaju realny kontakt z daną przestrzenią. Dlatego też coraz częściej mamy z nimi do czynienia w różnych dziedzinach życia. W tym konkretnym przypadku opracowanie zostało wykonane na potrzeby archeologii – przy współpracy dwóch instytucji: Pracowni Badań Archeologicznych w Libii – Ptolemais Instytutu Archeologii Uniwersytetu Warszawskiego oraz Zakładu Fotogrametrii, Teledetekcji i Systemów Informacji Przestrzennej Wydziału Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej.

W załączonej pracy przedstawiony został jeden ze sposobów tworzenia wizualizacji na podstawie dwóch zdjęć. Przejście, z przestrzeni dwuwymiarowej reprezentowanej przez zdjęcie do trójwymiarowego modelu, było możliwe poprzez wykorzystanie efektu steroskopowego. Dwa zdjęcia wykonane w odpowiedniej konfiguracji (stereogram)  pozwalały na obserwację obiektów w przestrzeni trójwymiarowej. Ważnym było, aby zdjęcia posiadały wzajemne pokrycie (najkorzystniejsze 60%), a opracowywany obiekt znajdował się właśnie w tym pokryciu. Dodatkowo należało starać się, aby zdjęcia były jak najbardziej pionowe (równoległe do fotografowanej powierzchni) oraz wykonane z podobnej wysokości (różnica nie większa niż 15% wysokości), gdyż nie wszystkie programy są w stanie pracować na zdjęciach bardzo względem siebie skręconych.

Zdjęcie lewe nr _9215546

Obszarem opracowania był fragment antycznego miasta Ptolemais (dzisiejsza miejscowość Tolmeita) znajdującego się w Libii, na półwyspie Cyrenaika. Dokładnie teren przylegający do Bazyliki Zachodniej o powierzchni około 1,7ha.

Zdjęcie prawe nr _9215537

Materiałami źródłowymi były zdjęcia z kolekcji Mirona Bogackiego oraz mapa sytuacyjno-wysokościowa stworzona przez Wiesława Małkowskiego. Zdjęcia zostały wykonane z latawca we wrześniu 2007, kamerą cyfrową Olympus E-510 z 10Mp matrycą i obiektywem Olympus Zuiko Digital 14-54mm 1:2.8-3.5. Należy podkreślić, że była to kamera niemetryczna, czyli kamera, w której układ wewnętrzny nie był określony na podstawie znaczków tłowych (punkty umieszczone w narożnikach zdjęcia). W przypadku takiej kamery konieczne było wykonanie kalibracji – wyznaczenie parametrów charakteryzujących obiektyw (położenie punktu głównego, odległość obrazowa, afinizm, dystorsja radialna i tangencjalna). Zostało to wykonane w oparciu o zdjęcie pola testowego Auli Głównej PW – pola z punktami o znanych współrzędnych przestrzennych. Podstawą do wyznaczenie szukanych parametrów było porównanie – położenia poszczególnych punktów na zdjęciu oraz położenia, które te punkty by uzyskały (wyznaczonych w oparciu o współrzędne terenowe), gdyby obiektyw był idealny, czyli gdyby nie zniekształcał rzeczywistości. Dany obiektyw Zuiko okazał się być bardzo dobrym sprzętem – wpływ poszczególnych parametrów na położenie punktów był niewielki, rzędu kilku pikseli. Wszystkie wielkości uzyskane na etapie kalibracji zostały zapamiętane, a następnie uwzględnione dla obu zdjęć.

Stworzenie modelu stereoskopowego zostało przeprowadzone na fotogrametrycznej stacji cyfrowej ImageStation. Oprogramowanie to pozwoliło na poprowadzenie pomiarów w dwóch kierunkach. Wynikało to z możliwości wyboru dwóch rodzajów kamer: analogowej i cyfrowej.  To, że akurat w rzeczywistości była to kamera cyfrowa niczemu nie przeszkadzało. W przypadku kamery analogowej konieczne było przeprowadzenie orientacji wewnętrznej (określenie układu wewnętrznego zdjęcia) dla każdego ze zdjęć. Polegała ona na pomiarze położenia znaczków tłowych, którymi w tym przypadku były narożniki zdjęć. Dla kamery cyfrowej taki etap nie był konieczny – układ wewnętrzny od razu był ustalony na postawie układu pikselowego zdjęć. Dalsza część pomiarów dla obu przypadków przebiegała w identyczny sposób.

Wizualizacja ruin Bazyliki Zachodniej

Kolejnym krokiem na drodze do stworzenia modelu steroskopowego było przeprowadzenie orientacji wzajemnej, czyli określenie wzajemnej relacji między jednym zdjęciem, a drugim. Polegała ona na pomiarze sześciu punktów (punkty homologiczne) tych samych na obu zdjęciach – punkt najpierw był wskazywany na zdjęciu pierwszym, a następnie na drugim i tak dla każdego punktu. W wyniku zostały wyznaczone położenia środków rzutów zdjęć (punkty w przestrzeni, skąd zdjęcia wykonano), a także kąty skręcenia obrazów względem siebie w układzie modelu. Już po tym etapie można było obserwować obiekt w przestrzeni 3D za pomocą specjalnych okularów pomiarowych. Model ten jednak nie był jeszcze przeskalowany i doprowadzony do zadanego układu terenowego. Przekształcenia te zostały przeprowadzone na etapie orientacji bezwzględnej poprzez pomiar na stworzonym modelu (w układzie modelowym) punktów o znanych współrzędnych terenowych. Aby sprawdzić, czy przebieg tej orientacji był prawidłowy na uzyskanym rzeczywistym modelu pomierzono punkt tzw. Check Point, czyli dowolny punkt terenu. Uzyskane współrzędne porównano z tymi rzeczywistymi (też były znane). Rozbieżności uzyskane na tym etapie wynosiły około 10 cm.

Podział obszaru na trójkaty w programie Sketch Up

Ostatnia orientacja dostarczyła danych na temat zdjęć np.:

– wysokość lotu – około 249m (zdjęcie lewe), 226m (zdjęcie prawe),

– skala – około 1:11887 (zdjęcie lewe), 1:10789 (zdjęcie prawe),

– wielkość piksela terenowego – około 5,9cm (zdjęcie lewe), 5,4cm (zdjęcie prawe),

W wyniku powyższych pomiarów został stworzony rzeczywisty, w pełni kartometryczny model stereoskopowy.

By mogła powstać wizualizacja danej przestrzeni pomierzono na modelu punkty terenowe (319 punktów), a także zostały zwektoryzowane widoczne części Bazyliki Zachodniej. Dane te następnie zostały wczytane do ogólnodostępnego programu Google SketchUp, gdzie poddano je modelowaniu. W wyniku uzyskano wizualizację zarówno powierzchni terenu (NMT), jaki i ruin. W przypadku budynku dokonano pewnej generalizacji – nie każda cegła była mierzona. Użyte tekstury pochodził z biblioteki programu, a nie ze zdjęć, mimo to uzyskany model stanowi do pewnego stopnia wierny obraz rzeczywistości.

Podsumowując – tworzenie modeli na podstawie zdjęć z latawca nie jest zjawiskiem nowym, ale nadal niedocenionym i rzadko spotykanym. Pojawiła się jednak nadzieja, że rozwój technologii fotogrametrycznych, przyczyni się do większej popularności tego typu opracowań.

Agata Klimczyk

Pełna wersja pracy w formacie pdf