Цифровая модель обнажения
Цифровая модель обнажения ( DOM ), также называемая виртуальной моделью обнажения , представляет собой цифровое трехмерное представление поверхности обнажения , в основном в виде текстурированной полигональной сетки .
DOM позволяют интерпретировать и воспроизводить измерения. [1] различных геологических особенностей, например, ориентации геологических поверхностей, ширины и толщины слоев. Количество идентифицируемых и измеримых геологических особенностей во многом зависит от разрешения и точности модели обнажения. [2]
Использование методов дистанционного зондирования позволяет этим 3D-моделям покрывать труднодоступные территории, например, скальные стены высотой несколько метров. Тот факт, что геологическую интерпретацию можно выполнять на экране, в том числе в труднодоступных районах, где использование традиционных методов полевых исследований может быть небезопасным, а также большой объем данных, которые можно собрать за относительно короткое время, являются ключевыми преимуществами использования DOM. [3] Географическая привязка цифровых моделей обнажений позволяет интегрировать их с другими пространственными данными, например, с результатами цифрового геологического картирования или ГИС .
В качестве альтернативы фотореалистичным текстурированным моделям трехмерные цифровые модели обнажений могут быть представлены облаком точек, окрашенным спектральными данными (RGB) из соответствующих изображений. Такое представление модели поверхности точно описывает топографию обнажения, но из-за его дискретного характера часто трудно интерпретировать (см. Рисунок 1). Текстурирование цифровых полигональных моделей обнажений с помощью изображений расширяет возможности моделей с помощью непрерывных данных высокого разрешения и, следовательно, облегчает геологическую интерпретацию. [2]
Техники создания
[ редактировать ]Создание текстурированных DOM можно разделить на три основных этапа:
- создание модели поверхности обнажения ,
- предварительная обработка и регистрация изображений, покрывающих обнажение ,
- наложение текстур .
Для достижения необходимого разрешения и точности модели данные в основном собираются с земли. [2] (наземное) или с вертолетной площадки ( мобильное картографирование ). [4] Аэрофотоснимки и спутниковые данные также могут быть интегрированы, но в основном в качестве дополнительных наборов данных по областям обнажений, где данные с близкого расстояния отсутствуют. [5]
Цифровая модель поверхности обнажения
[ редактировать ]Создание цифровой модели поверхности обнажения состоит из следующих этапов:
- Сбор данных
- Цифровые данные, необходимые для создания модели поверхности обнажения, могут быть получены, как и в случае с цифровыми моделями рельефа , путем лазерного сканирования или реконструированы из нескольких изображений, снятых с нескольких видов, с использованием методов структуры на основе движения или стереовидения . [6] [7] Неполный список программных пакетов, позволяющих проводить моделирование на основе изображений, можно найти здесь .
- Модели, созданные с помощью вышеупомянутых методов, могут иметь сопоставимый масштаб и уровень детализации. [6] Независимо от примененного метода первичные результирующие данные одинаковы: трехмерные (X,Y,Z) координаты большого количества точек в виде облака точек , описывающих поверхность обнажения.
- 2. Объединение облаков точек и географическая привязка
- Облака точек, полученные с разных ракурсов, необходимо объединить и зарегистрировать в единой системе координат (вместе с изображениями). В процессе регистрации рассчитывается 3D-преобразование между общими частями двух облаков точек. Параметры 3D-преобразования можно найти на основе соответствующих точек в двух облаках точек, сопоставлении поверхностей, а в случае мобильного картографирования, поддерживаемого GNSS и INS , с помощью метода прямой ориентации датчика. [8]
- В процессе пространственной привязки облака точек вычисляется 3D-преобразование между локальной системой координат проекта и геодезической системой координат . Для выполнения этого действия требуется минимум три точки, которые могут быть расположены в облаке точек и известны их координаты в геодезической системе (измеренные с помощью геодезических методов или GNSS ).
- 3. Очистка и децимация облака точек.
- Независимо от методологии сбора данных, полученное облако точек обычно фильтруется и очищается от нежелательных объектов, например, растительности. В зависимости от сложности поверхности обнажения и размера набора данных может потребоваться уменьшение общей плотности облака точек.
- 4. 3D-триангуляция и оптимизация треугольной сетки.
- Чтобы включить возможность текстурирования модели, редактируемое облако точек преобразуется в триангулированную нерегулярную сеть ( треугольную сетку ). Правильная триангуляция 3D-данных — нетривиальная задача из-за потенциальных теней при сканировании, растительности, резких изменений топографии и случайных ошибок. Поэтому дополнительное редактирование и оптимизация сетки часто требуется для улучшения равноугольности, решения проблем топологии или переориентации инвертированных нормалей поверхности.
Цифровые изображения
[ редактировать ]- Регистрация изображения
- Создание текстурированных 3D-моделей требует определения взаимосвязей между всеми вершинами треугольной сетки и соответствующими точками изображения. условие коллинеарности Чтобы найти эту взаимосвязь, можно использовать параметры внутренней и внешней ориентации изображения. , но необходимо знать
- Параметры внутренней (внутренней) ориентации камеры получаются в процессе калибровки камеры .
- Когда во время сбора данных используется лазерное сканирование, камера обычно жестко связана со сканером и ее ориентация относительно сканера точно измеряется. В таких случаях параметры внешней (внешней) ориентации можно легко получить для всех изображений с помощью 3D-преобразования. В противном случае можно установить параметры ориентации внешней камеры на основе известных координат минимум трех точек на трехмерной модели поверхности обнажения и изображении.
- В случае трехмерной модели поверхности обнажения, полученной на основе фотомоделирования, параметры внутренней и внешней ориентации изображения могут быть рассчитаны с помощью программного обеспечения для моделирования.
- 2. Предварительный выбор изображения и цветовая балансировка.
- В зависимости от применяемого подхода к рендерингу (см. следующий раздел ) может потребоваться предварительный выбор изображений, наиболее подходящих для наложения текстур.
- Если изображения, использованные в окончательном процессе текстурирования, были получены при разных условиях освещения и цвета соответствующих элементов, видимых на разных изображениях, значительно различаются, настройка цвета изображения. может потребоваться
Наложение текстур
[ редактировать ]Существуют различные алгоритмы отображения текстур , например: текстурирование одного изображения, [9] смешивание цветов текстуры [10] или текстурирование, зависящее от вида. [11] Часто используется подход к текстурированию одного изображения. [3] [12] благодаря своей простоте и эффективности.
Визуализация
[ редактировать ]Визуализация больших текстурированных 3D-моделей по-прежнему несколько проблематична и сильно зависит от аппаратного обеспечения. Трехмерная природа DOM (несколько значений для каждой позиции X, Y) приводит к тому, что форма данных не подходит для ввода в большинство географических информационных систем. Однако существует несколько готовых пакетов программного обеспечения для визуализации, которые также позволяют проводить геологическую интерпретацию и измерения:
- Геологическая студия виртуальной реальности от VRGeoscience Limited
- Stratabox от Imaged Reality
- Известь от Virtual Outcrop Group
- Sirovision от CAE Mining
- RiSCAN PRO от Riegl
- ShapeMetrix3D от 3G Software & Measurement; также позволяет извлекать модель поверхности из нескольких изображений
- 3DM-аналитик компании Adamtech; также позволяет извлекать модель поверхности из нескольких изображений
- Скетчап от Google; Не предназначен для работы с большими моделями с множеством текстурных материалов.
- CloudCompare Обработка облаков точек и сеток с открытым исходным кодом.
Цифровые модели обнажений и фотопанели
[ редактировать ]Фотопанель представляет собой мозаику из нескольких изображений, обычно используемую в геологии для документации обнажений и ссылки на геометрические свойства объекта. Масштаб таких фотопанелей приблизительно установлен для оценки размеров различных геологических объектов. Однако эти измерения обычно содержат ошибки, связанные с искажениями, возникающими при преобразовании 3D обнажений в плоскость 2D изображения, а также с неточностью процесса ручной сшивки изображений . [ нужна ссылка ]
Благодаря своей трехмерной природе цифровые модели обнажений обеспечивают правильные и точные измерения характеристик, перечисленных в следующем разделе .
Данные, извлекаемые из цифровых моделей обнажений
[ редактировать ]
- 3D линии, представляющие [2] например.:
- клиноформные контакты
- русловые тела и осадочные структуры
- фациальные контакты
- переломы
- вина
- определение элементов заполнения
- стратиграфические горизонты
- местные осадочные особенности, например, приливные пучки
- углы простирания и падения
- мощность и ширина осадочных толщ
- состав материала
- наблюдение за изменением различных факторов на расстоянии
Дополнительные данные
[ редактировать ]Анализ цифровых моделей обнажений можно улучшить с помощью широкого спектра цифровых данных с географической привязкой , например:
- аэрофотоснимки
- спутниковые снимки
- цифровые модели местности
- топографические карты
- геологические карты и разрезы
- сейсмические изображения
- гравитационные данные
- магнитные данные
- данные, полученные с помощью георадара . [13]
- гиперспектральные изображения [14]
- данные керна скважины
- колодезные журналы
- данные, полученные в результате цифрового геологического картирования
Использование данных без географической привязки с DOM возможно, но требует дополнительных усилий для позиционирования вспомогательных данных относительно DOM.
Приложения
[ редактировать ]- Использование DOM для характеристики аналогов обнажений (т.е. геологических формаций, похожих на подземные формации, содержащие такие ресурсы, как углеводороды) в районах с ограниченной доступностью или слишком высокой стоимостью получения данных.
- Геологическое моделирование
- улучшение мелкомасштабного понимания геологических процессов
- улучшение модели пласта с помощью измерений высокого разрешения [15]
- улучшить понимание подземных горных пород
- входные данные для геологического моделирования, полученные непосредственно из DOM
- Повышение нефтеотдачи
- Учебные цели: DOM, доступные перед поездкой, позволяют учащимся ознакомиться с местом и дают возможность впоследствии проверить некоторые тезисы обсуждения. [1]
См. также
[ редактировать ]- Сбор 3D-данных и реконструкция объектов
- Фотограмметрия
- Моделирование и рендеринг на основе изображений
- Геологическое моделирование
- Цифровое геологическое картографирование
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Дж. А. Беллиан, К. Керанс и Д.С. Дженнетт, 2005. Цифровые модели обнажений: применение лидарной технологии наземного сканирования в стратиграфическом моделировании, Журнал осадочных исследований, том. 75, выпуск 2, с. 166-176.
- ^ Jump up to: а б с д Бакли, С.; Хауэлл, Дж.; Энге, Х.; Курц, Т. (2008). «Наземное лазерное сканирование в геологии: вопросы сбора, обработки и точности данных». Журнал Геологического общества . 165 (3): 625–638. дои : 10.1144/0016-76492007-100 . hdl : 1956/4302 . S2CID 129757527 .
- ^ Jump up to: а б Бакли, С.; Энге, Х.; Карлссон, К.; Хауэлл, Дж. (2010). «Наземное лазерное сканирование для использования в геологии виртуальных обнажений». Фотограмметрическая запись . 25 (131): 225–239. CiteSeerX 10.1.1.471.9674 . дои : 10.1111/j.1477-9730.2010.00585.x . S2CID 140647568 .
- ^ С. Бакли, Дж. Валлет, А. Браатен, В. Уилер, 2008. Наклонное лазерное сканирование с вертолета для цифрового моделирования местности и визуализации геологических обнажений. IAPRS 37(B4), стр. 493-498, pdf .
- ^ Бакли, С.; Шварц, Э.; Терлаки, В.; Хауэлл, Дж.; Арнотт, RW (2010). «Объединение аэрофотограмметрии и наземного лидара для аналогового моделирования резервуаров». Фотограмметрическая инженерия и дистанционное зондирование . 76 (8): 953–963. дои : 10.14358/чел.76.8.953 . hdl : 11336/72973 .
- ^ Jump up to: а б Ханеберг, WC (2008). «Использование наземной цифровой фотограмметрии с близкого расстояния для трехмерного моделирования скальных склонов и картографирования неоднородностей в Соединенных Штатах». Бюллетень инженерной геологии и окружающей среды . 67 (4): 457–469. дои : 10.1007/s10064-008-0157-y . S2CID 110488345 .
- ^ Ф. Тонон и Дж. Т. Коттенстетт, 2006. Лазерные и фотограмметрические методы определения характеристик забоев горных пород. Отчет о семинаре, состоявшемся 17–18 июня 2006 г. в Голдене, штат Колорадо. PDF .
- ^ М. Крамер, Д. Столлманн, Н. Хаала, 2000. Прямая географическая привязка с использованием GPS/инерциальной внешней ориентации для фотограмметрических приложений. МАПРС, 33(Часть B3), pdf
- ^ В. Нием и Х. Брозио, 1995. Отображение текстуры с нескольких изображений с камеры на модели 3D-объектов для компьютерной анимации. Материалы международного семинара по стереоскопической и трехмерной визуализации, Санторини, Греция.
- ^ П. Пулен, М. Уиме, М. К. Фрассон, 1998. Интерактивное моделирование с помощью фотограмметрии. Семинар Eurographics по рендерингу, Springer-Verlag, стр. 93–104.
- ^ П. Е. Дебевец, К. Дж. Тейлор, Дж. Малик, 1996. Моделирование и рендеринг архитектуры по фотографиям. Материалы 23-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям, SIGGRAPH '96, Новый Орлеан, США.
- ^ Riegl, 2010. Руководство пользователя RiSCAN PRO. стр.119-120.
- ^ К. Олариу, 2000. Исследование меловых отложений фронта дельты, интеграция обнажений, георадарных и трехмерных фотореалистичных данных, песчаник Пантер-Тонг, Юта. Магистерская диссертация, Техасский университет в Далласе, PDF
- ^ Курц, Т.; Бакли, С.; Хауэлл, Дж.; Шнайдер, Д. (2011). «Интеграция панорамных гиперспектральных изображений с наземным лидаром». Фотограмметрическая запись . 26 (134): 212–228. дои : 10.1111/j.1477-9730.2011.00632.x . S2CID 140655967 .
- ^ Энге, HD; Бакли, С.Дж.; Ротеватн, А.; Хауэлл, Дж. А. (2007). «От обнажения к модели пласта: рабочий процесс и процедуры» . Геосфера . 3 (6): 469–490. дои : 10.1130/ges00099.1 .