Исследование избранных участков лунной территории с применением ЗD-моделей
|
Введение 3
1 Фотограмметрия 5
1.1 Виды камер в фотограмметрии 7
1.1.1 Метрические камеры 7
1.1.2 Цифровые потребительские камеры 8
1.2 Космические программы 8
1.2.1 LROC 8
1.2.2 Apollo 12
1.3 ПО Agisoft PhotoScan 14
1.3.1 Как работает PhotoScan 15
2 Виды и характеристики снимков высокого разрешения 17
2.1 Особенности подбора орбитальных снимков 18
2.2 Отладочная модель 21
2.3 Исследуемые объекты 22
2.3.3 Кратер Ламберт 22
2.3.1 Область Рейнер - Гамма 27
2.3.2 Окрестности кратера Лавуазье 35
2.4 Привязка модели к системе координат 39
Заключение 42
Список использованных источников 44
1 Фотограмметрия 5
1.1 Виды камер в фотограмметрии 7
1.1.1 Метрические камеры 7
1.1.2 Цифровые потребительские камеры 8
1.2 Космические программы 8
1.2.1 LROC 8
1.2.2 Apollo 12
1.3 ПО Agisoft PhotoScan 14
1.3.1 Как работает PhotoScan 15
2 Виды и характеристики снимков высокого разрешения 17
2.1 Особенности подбора орбитальных снимков 18
2.2 Отладочная модель 21
2.3 Исследуемые объекты 22
2.3.3 Кратер Ламберт 22
2.3.1 Область Рейнер - Гамма 27
2.3.2 Окрестности кратера Лавуазье 35
2.4 Привязка модели к системе координат 39
Заключение 42
Список использованных источников 44
Вновь возникший интерес человечества к Луне, дал мощный толчок для развития многих космических программ. Одной из таких программ является проект NASA LRO (Лунный орбитальный зонд). Благодаря ей сегодня мы имеем почти всю территорию лунной поверхности, покрытую снимками высокого разрешения. Все изображения находятся в виртуальной библиотеке, которой может воспользоваться любой желающий. А с появлением мощных компьютеров и современного программного обеспечения, открывается возможность использовать технологию «компьютерного зрения» в решении различных фотограмметрических задач, например, трёхмерное моделирование. Начиная с 2008 года снимки с предыдущих проектов NASA таких, как Apollo-15,-16,-17, стали доступны в оцифрованном виде. И несмотря на то, что отснята была лишь небольшая часть лунной территории, интересно проанализировать процесс воссоздания трехмерной модели по этим изображениям.
Двухмерные снимки не дают полное представление о реальной лунной поверхности. Какие то детали могут быть неразличимы человеческим глазом. Благодаря трехмерной модели можно имитировать эффект "присутствия" на поверхности, изучаемого объекта. Что позволяет более детально изучить сложную лунную топографию и даже проанализировать процессы, которые происходят на ней. Примером служит работа [26] выполненная на кафедре астрономии и космической геодезии КФУ. Ее авторами с помощью фрагментов панорамного снимка Apollo-17, обладающего высоким разрешением, была построена трехмерная модель кратера Эйткен в области южной центральной горки и её окрестности. Здесь был обнаружен "ледниково-подобный язык". Эту особенность рельефа на снимках с метрической камеры не видно. В работе отмечают, что "ледниково-подобный язык" в кратере Эйткен может содержать значительное количество вмороженного в грунт водяного льда.
Важной особенностью технологии воссоздания трехмерной модели является необходимость экспонирования одного и того же участка местности с разных ракурсов. Иными словами следует подбирать снимки таким образом, чтобы они создавали стереопары.
После всего выше сказанного, данная работа посвящена исследованию избранных участков лунной территории с применением 3D моделей и для её выполнения необходимо решить следующие задачи:
• Проанализировать снимки с борта КК «Apollo -15,-16,-17» и лунного орбитального зонда LRO. Научиться работать с виртуальными библиотеками
• Подобрать изображения для трехмерного моделирования выбранных областей, с учётом всех особенностей лунных орбитальных снимков
• Преобразовать файлы, полученные с виртуальных библиотек, в формат поддерживаемый программным обеспечением Agisoft Photoscan
• Освоить программный продукт Agisoft Photo scan
• Построить 3D-модели, выбранных областей.
Двухмерные снимки не дают полное представление о реальной лунной поверхности. Какие то детали могут быть неразличимы человеческим глазом. Благодаря трехмерной модели можно имитировать эффект "присутствия" на поверхности, изучаемого объекта. Что позволяет более детально изучить сложную лунную топографию и даже проанализировать процессы, которые происходят на ней. Примером служит работа [26] выполненная на кафедре астрономии и космической геодезии КФУ. Ее авторами с помощью фрагментов панорамного снимка Apollo-17, обладающего высоким разрешением, была построена трехмерная модель кратера Эйткен в области южной центральной горки и её окрестности. Здесь был обнаружен "ледниково-подобный язык". Эту особенность рельефа на снимках с метрической камеры не видно. В работе отмечают, что "ледниково-подобный язык" в кратере Эйткен может содержать значительное количество вмороженного в грунт водяного льда.
Важной особенностью технологии воссоздания трехмерной модели является необходимость экспонирования одного и того же участка местности с разных ракурсов. Иными словами следует подбирать снимки таким образом, чтобы они создавали стереопары.
После всего выше сказанного, данная работа посвящена исследованию избранных участков лунной территории с применением 3D моделей и для её выполнения необходимо решить следующие задачи:
• Проанализировать снимки с борта КК «Apollo -15,-16,-17» и лунного орбитального зонда LRO. Научиться работать с виртуальными библиотеками
• Подобрать изображения для трехмерного моделирования выбранных областей, с учётом всех особенностей лунных орбитальных снимков
• Преобразовать файлы, полученные с виртуальных библиотек, в формат поддерживаемый программным обеспечением Agisoft Photoscan
• Освоить программный продукт Agisoft Photo scan
• Построить 3D-модели, выбранных областей.
Новые космические программы позволяют узнать много нового о лунной поверхности, о её строении и даже о процессах происходящих на ней. В частности, используя снимки высокого разрешения и современное оборудование, можно воссоздать выбранную трехмерную область реальной местности Луны. В данной работе, для исследования выбранных лунных территорий с применением 3И-моделей, были использованы как оцифрованные изображения, полученные метрической камерой с борта КА Apollo - 15, так и снимки высокого разрешения с современного Лунного Орбитального Зонда LRO. После анализа изображений с этих двух миссий были выбраны следующие лунные территории: кратер Ламберт, окрестность области Рейнер-Г амма и часть поверхности днища кратера Лавуазье.
В качестве инструмента создания трехмерных моделей был выбран отечественный программный продукт Agisoft Photoscan (AP). Изначально AP предназначен для работы лишь с аэрофотоснимками, однако, после того как программа была освоена с нуля, оказалось, что она вполне может быть использована и для работы с орбитальными снимками. Однако подбирая последовательные перекрывающиеся изображения, необходимо уделить внимание ещё на два условных пункта таких, как освещенность снимка и положение Солнца в момент фотографирования. С учётом всего выше сказанного появилась общая методика воссоздания трехмерных моделей интересующих областей лунной поверхности. Методика изложена в разработанной нами "методическом указании" и прикреплена в приложении.
Объёмная модель кратера Ламберт была построена по 4-м метрическим снимкам с борта КА Apollo - 15. Эти изображения имеют достаточное перекрытие (свыше 80%) как в продольном, так и в поперечном направлении, а также удовлетворяют всем требованиям подбора орбитальных снимков. Поэтому программа правильно сориентировала все изображения и построила адекватную трехмерную модель. Но основным минусом подобных снимков является их относительно небольшое количество. В связи с этим построить ЭЭ-модель выбранного участка бывает довольно сложно, а иногда и совсем невозможно.
Одним из таких мест является область Рейнер-Гамма. Поэтому было принято решение построить модель для левого края "эллипса", по панорамным снимкам с длиннофокусной камеры, установленной на борту LRO. Виртуальная библиотека Лунного Орбитального Зонда обладает огромным количеством изображений. Это даже становится в какой-то степени проблемой, т.к. в поисках нужных файлов, пришлось анализировать большие массивы данных. После подбора, изображения необходимо было конвертировать в другой графический формат, потому что виртуальная библиотека предоставляет данные с расширением, которое не поддерживает инструмент AP. На этапе выравнивания было обнаружено, что программа ориентирует снимки неправильно, это в конечном счёте привело бы к тому, что модель получилась неправильной формы. Однако определённые преднастройки программы помогли решить данную проблему. В итоге была получена объёмная модель для левого края "эллипса", которая адекватно отображает реальную местность на Луне.
Последняя модель, область на дне кратера Лавуазье, была построена несколько иным способом. Использовались не оригинальные снимки с виртуальной библиотеки LRO, а лишь интересующие фрагменты с оригинальных перекрывающихся снимков. Как показала практика, модель получилась максимально приближенной к реальной местности. Она хорошо отображает реальные тектонические разломы, внешнее и внутренне кольца южного кратера. Используя этот метод, можно строить объёмные модели местности для относительно маленьких участков (меньше 10 км). Например, места посадки КА на лунную поверхность. Также большим плюсом этого метода является экономия потраченного, на воссоздание модели, времени.
Все практическая часть выпускной квалификационной работы проводились на лицензионном ПО в лаборатории "Фотограмметрии и дистанционного зондирования".
В качестве инструмента создания трехмерных моделей был выбран отечественный программный продукт Agisoft Photoscan (AP). Изначально AP предназначен для работы лишь с аэрофотоснимками, однако, после того как программа была освоена с нуля, оказалось, что она вполне может быть использована и для работы с орбитальными снимками. Однако подбирая последовательные перекрывающиеся изображения, необходимо уделить внимание ещё на два условных пункта таких, как освещенность снимка и положение Солнца в момент фотографирования. С учётом всего выше сказанного появилась общая методика воссоздания трехмерных моделей интересующих областей лунной поверхности. Методика изложена в разработанной нами "методическом указании" и прикреплена в приложении.
Объёмная модель кратера Ламберт была построена по 4-м метрическим снимкам с борта КА Apollo - 15. Эти изображения имеют достаточное перекрытие (свыше 80%) как в продольном, так и в поперечном направлении, а также удовлетворяют всем требованиям подбора орбитальных снимков. Поэтому программа правильно сориентировала все изображения и построила адекватную трехмерную модель. Но основным минусом подобных снимков является их относительно небольшое количество. В связи с этим построить ЭЭ-модель выбранного участка бывает довольно сложно, а иногда и совсем невозможно.
Одним из таких мест является область Рейнер-Гамма. Поэтому было принято решение построить модель для левого края "эллипса", по панорамным снимкам с длиннофокусной камеры, установленной на борту LRO. Виртуальная библиотека Лунного Орбитального Зонда обладает огромным количеством изображений. Это даже становится в какой-то степени проблемой, т.к. в поисках нужных файлов, пришлось анализировать большие массивы данных. После подбора, изображения необходимо было конвертировать в другой графический формат, потому что виртуальная библиотека предоставляет данные с расширением, которое не поддерживает инструмент AP. На этапе выравнивания было обнаружено, что программа ориентирует снимки неправильно, это в конечном счёте привело бы к тому, что модель получилась неправильной формы. Однако определённые преднастройки программы помогли решить данную проблему. В итоге была получена объёмная модель для левого края "эллипса", которая адекватно отображает реальную местность на Луне.
Последняя модель, область на дне кратера Лавуазье, была построена несколько иным способом. Использовались не оригинальные снимки с виртуальной библиотеки LRO, а лишь интересующие фрагменты с оригинальных перекрывающихся снимков. Как показала практика, модель получилась максимально приближенной к реальной местности. Она хорошо отображает реальные тектонические разломы, внешнее и внутренне кольца южного кратера. Используя этот метод, можно строить объёмные модели местности для относительно маленьких участков (меньше 10 км). Например, места посадки КА на лунную поверхность. Также большим плюсом этого метода является экономия потраченного, на воссоздание модели, времени.
Все практическая часть выпускной квалификационной работы проводились на лицензионном ПО в лаборатории "Фотограмметрии и дистанционного зондирования".