Фотограмметрическая обработка архивных снимков утраченного флигеля замка Кенигсберг

Глава 3. Определение геометрических параметров утраченных фасадов Западного флигеля замка Кенигсберг на основе фотограмметрической обработки архивных фотоснимков
3.1. Анализ фотоизображений для выполнения фотограмметрической обработки
3.2. Фотограмметрическая обработка изображений
3.3. Создание трехмерной информационной BIM-модели

С каждым годом вопрос сохранения памятников истории и культуры становится всё более насущным: время, дикая природа и, безусловно, вмешательство людей – все эти факторы в совокупности губительны не только для их внешнего облика, но и для их сохранности в целом. Изменения, искажения и, достаточно часто, полное уничтожение культурного достояния - вот реалии современного мира.

Восстановление исходного вида памятников или же построение аналогичной копии давно уже не является невыполнимой для людей задачей. Однако, для подобной точной реконструкции необходимы чертежи, которые зачастую не сохраняются до нашего времени или же сохраняются в неполном виде. По этой причине, использование архивных снимков совместно с методами фотограмметрической обработки можно рассматривать как альтернативный способ получения данных о параметрах памятников. Впрочем, получение данных таким путем не обходится без определенных трудностей.

В первую очередь, получая доступ к архивным снимкам, мы сталкиваемся с отсутствием данных об условиях съемки, модели камеры и зачастую даже фокусное расстояние узнать невозможно, да и в целом огромное количество снимков получены с использованием неметрических камер. Кроме того, задача определения элементов внешнего ориентирования часто нерешаема, так как памятник мог быть изменен, разрушен частично или даже полностью. И, наконец, само качество кадров может быть ухудшено за счет деформаций, повреждений и выцветаний, естественно происходящих с течением времени, либо же связанных с их неправильным хранением.




3.1. Анализ фотоизображений для выполнения фотограмметрической обработки

              Раньше замок Кенигсберг являлся одной из важнейших и древнейших достопримечательностей города Калининград и имел очень продолжительную историю, но до наших дней он, к сожалению, не сохранился. Он был заложен 1255 году, в те времена он был построен из дерева, и с ходом времени он постепенно перестраивался керамическим кирпичом и полевым камнем в романском стиле, однако, на этом изменения не заканчивались, и уже в 1864-1866-х годах замковая башня и южный фасад были перестроены в готическом стиле, далее со временем в ансамбль замка вписывались элементы стилей барокко и рококо. *



Затем в 1944 году замок подвергался бомбардировке, горел и по итогу от него остались только обугленные стены фасада, которые в дальнейшем также пострадали во время штурма Кенигсберга в апреле 1945 года. После войны на его территории начали заготавливать кирпич и уже в ночь с 14 на 15 декабря 1952 года обвалились верхние этажи главной башни, далее было принято решение взорвать башню, что было сделано в период с 12 февраля по 10 марта 1953 года. *


* - Кулаков В.И. История замка Кенигсберг. – Калининград, Живем, 2008.

В данный момент на месте этого королевского замка осталась лишь малая часть руин фундамента. В 2001 году было начато изучение фундамента замка, раскопки которого проводились вплоть до 2008 года, после которого они временно остановились и были вновь начаты в 2010 году и проводились до 2017 года включительно, после чего из-за недостатка финансирования проект резко был закрыт и раскопанные руины остались не законсервированными и остаются такими и в 2021 году.



              Для определения геометрических параметров западного флигеля замка Кенигсберг по его архивным фотографиям были собраны и проанализированы несколько десятков фотоснимков, предоставленных для данной работы НПП «Фотограмметрия», которые в 2016 году были получены из архивов Калининграда, Ольштына, Варшавы, Марбурга, Бардорфа или из открытого доступа в интернете. Для работы прежде всего отбирались снимки первой половины ХХ-го века, на которых были зафиксированы результаты последней реконструкции замка и послевоенные фотографии, по которым уже не получалось определить геометрические параметры крыши, но получалось определить параметры самого здания. Информация о фотокамерах, с помощью которых были получены предоставленные изображения, отсутствовала, и все снимки были уже в электронном виде, соответственно, процесс их перевода в цифровую форму не мог быть проконтролирован. На основе этого все фотоизображения можно отнести к категории неметрических, а значит их фотограмметрические параметры было необходимо определить в процессе обработки.

              Во время анализа отбирались наиболее качественные снимки, выполненные с разных точек стояния, расположенных вокруг западного флигеля замка Кенигсберг, для того чтобы в дальнейшем было возможно применение стереофотограмметрического метода обработки. После анализа всех предоставленных изображений для выполнения фотограмметрической обработки были отобраны семь снимков, что обеспечило полноценное стереофотограмметрическое покрытие восточного фасада замка. Некоторые из них (восточный фасад):






Для южного фасада было отобрано 4 снимка, однако, на них имеются деревья, заслоняющие значительную часть здания:



Для работы с западным фасадом было выбрано всего 7 снимков, из которых только 3 являлись довоенной съемкой, остальные же были сделаны уже после войны:



Во время определения геометрических параметров северного фасада были отобраны 4 снимка послевоенного периода, которые отличались небольшим разрешением:



Таким образом, всего для работы было отобрано 22 фотоснимка, все они были сделаны в разное время и на разные фотокамеры, информация о которых отсутствовала, что вносило некоторые трудности в следующую за этим фотограмметрическую обработку отобранных изображений.





Обработка архивных снимков выполнялась в системе Parallax, разработанной НПП «Фотограмметрия». Однако, для того, чтобы приступить к работе в этой программе, нужно предварительно узнать приближенные значения фокусного расстояния и координат главной точки для каждого снимка. С этой целью была выбрана программа PhotoTransformator, в которой обработка базируется на геометрических свойствах объектов и особенностях перспективы. В ней для каждого снимка создавался проект, затем в этом проекте указывались вертикальные, горизонтальные и ортогональные линии, визуально видимые на фотоснимке, и приближенные значения элементов ориентирования.
Затем в проекте определялись элементы внешнего ориентирования по горизонтальным и вертикальным линиям, после этого шло определение фокусного расстояния с уточнением рассчитанных в предыдущем шаге угловых элементов по точке надира, горизонтальным и вертикальным линиям, а последним этапом шел расчет координат главной точки с параллельным уточнением фокусного расстояния по параметрам предыдущего шага.
Итоги расчета записываются программой в файл формата .val
Стоит отметить, что расчет элементов ориентирования в программе проводится способом последовательных приближений и очень сильно зависит от указанных на первом этапе приближенных значений и визуальных элементов, таким образом, программа очень тяжело работает со снимками старого замка, стены которого не являются параллельно-перпендикулярными, и поэтому через нее не получилось рассчитать приближенные значения элементов ориентирования всех выбранных для работы снимков и их элементы для начала работы в Parallax указывались по визуальной оценке.













Далее шел этап обработки снимков в программе Parallax. У данной программы есть два модуля: ParallaxCLC – в котором создаются проекты и проводятся вычисления, и ParallaxMSR – в котором выполняются фотограмметрические измерения. Таким образом, изначально был использован ParallaxCLC, в нем создавался проект, в этот проект загружались снимки и вводились данные о разрешении каждого из изображений, их фокусном расстоянии и главной точке. Стоит отметить, что обычно при обработке в единой сети снимков с разным разрешением оказывается влияние на веса данной сети, поэтому действует правило, согласно которому для обработки берут фокусное расстояние в квадрате в качестве веса измерения, это правило действительно работает, но в нашем случае разница между разрешениями снимков слишком большая, например, самым большим разрешением в сети являлось 12140х17005 у снимка 1u, а самым маленьким 900х595 у снимка 1s. Таким образом, было решено изменить разрешения всех изображений так, как показано на рисунке ниже, что обеспечило итоговой сети более однородные веса измерений, однако проблема правильного определения весов измерений для обработки снимков с разными разрешениями требует отдельного исследования в дальнейшем.



После этого созданный проект открывался в ParallaxMSR, где уже проставлялись соответственные идентичные точки на разных снимках. Первоначально проставлялось малое количество точек, примерно 30 общих для левого и правого снимков по ходу проекта. Это делалось для того, чтобы в дальнейшем можно было уравнять сеть и получить элементы ориентирования снимков, и уже после этого проставлять оставшиеся точки, причем так, чтобы все встречающиеся архитектурные элементы западного флигеля замка потом могли быть воссозданы в виде 3D модели. На этом же этапе, на основе чертежей замка 2016 года вычислялись приблизительные координаты каждой из отмеченных точек. Всего в проекте получилось 520 точек. Далее для снимков, у которых не получилось вычислить приближенное значение элементов ориентирования в PhotoTransformator, визуально определялись фокусное расстояние, главная точка, координаты точки фотографирования и угловые элементы, которые записывались в файл формата .dat для дальнейшей загрузки в проект.



Далее проект снова открывался в ParallaxCLC, в него загружались все данные, полученные на предыдущем этапе. Затем определялось взаимное расположение точек относительно друг друга. Это было сделано в результате уравнивания сети пространственной фототриангуляции по методу наименьших квадратов, первоначально уравнивалась 1 стереопара, в которой 2 точки фиксировались по всем координатам и одна только по Y, к которой после этого поочередно добавлялись новые снимки, пока не получалось уравнять все снимки с одного фасада, после чего это проделывалось с каждым фасадом и на выходе мы получали элементы ориентирования для каждого снимка. Но уравнивание по фасадам проводилось в разных системах координат, поэтому полученные элементы ориентирования приводились к единой системе координат, и только после этого было возможно уравнивание всех снимков со всех фасадов одновременно. После удачного уравнивания в проект добавлялись недостающие для дальнейшего моделирования точки и уравнивание проводилось еще раз.

После анализа результатов можно сказать, что наибольшие среднеквадратические ошибки пришлись на западный фасад, что скорее всего связанно с большой разнородностью снимков и тем, что в нем одновременно производилось уравнивание замка до и после военного вида. Самой большой среднеквадратической ошибкой для западного фасада является 2.49 пикселя, для восточного 1.01, для южного и северного - 1.11 и 1.45. Так как обрабатываемые снимки были неметрическими, результаты уравнивания следует считать приемлемыми. Логичным дальнейшим этапом работы являлось бы устранение искажений за дисторсию, однако при работе было выявлено сильное смещение точек за счет этих исправлений, поэтому было принято решение пропустить данный этап.



Полученные точки конвертировались в программе СТ в читаемый программами Autodesk формат .dxf и далее использовался для построения трехмерной информационной BIM-модели.






Следующим этапом работы было создание BIM-модели, которую можно определить, как систему, основанную на использовании интеллектуальных 3D моделей, где под интеллектуальной моделью подразумевается модель с параметрами, изменения которых отражается на ее внешнем виде. Также данные модели отличаются от простых 3D моделей тем, что к ним привязаны базы данных, со значениями атрибутов которых можно ознакомиться при нажатии на модель. В данной выпускной квалификационной работе BIM-моделирование выполнялось в программе Revit 2019. Все объекты, которыми мы можем пользоваться в данной программе, называются семействами, таким образом каждый конкретный объект является экземпляром семейства. Причем работа в Revit не ограничивается использованием только предоставленных семейств, мы можем свободно создавать свои семейства в специальном редакторе и наряду с системными семействами использовать их в своих проектах.

Таким образом первым шагом стало создание нового архитектурного проекта с метрической системой координат и импортирование облака полученных в предыдущем этапе точек в этот проект. Выбор архитектурного проекта обусловлен тем, что мы располагаем только данными о фасадах здания, а для инженерного проекта необходимо отображение всех металлоконструкций.



После импортирования точек можно было приступать к моделированию, которое производилось по принципу совпадения контуров, созданных облаком точек с контурами модели. В первую очередь по контуру из точек повторялись основные элементы, например, такие как стены, а затем к ним присоединялись модели более маленьких элементов. На первом этапе моделирования использовались только уже встроенные в Revit 2019 системные семейства и уже по окончанию этого этапа оставались те элементы, построение которых было невозможно с их использованием.



Затем можно было приступать к построению новых семейств, необходимых в этом проекте, которые создавались во встроенном редакторе. Для создания всех семейств выбирался шаблон «Метрическая система, типовая модель», в котором уже далее добавлялись дополнительные опорные плоскости, к которым привязывались управляющие размеры, после чего создавалась непосредственно геометрия самого объекта. Если нужно было сделать так, чтобы семейство вставлялось в проект по точке, отличной от центральной, то нужно было вручную выбрать подходящую точку и задать ее началом модели. [12] После создания эти семейства были установлены в проект на ровне с системными.



Следующим этапом создания модели стало присваивание всем ее элементам материалов, из которых они сделаны. Так как на момент моделирования было возможно определения материалов только визуально, по предоставленным снимкам, они могут отличаться от реальных. Далее полученную модель можно было представить в ее реалистичном виде с отображением всех текстур соответствующих материалов, освещения и теней, используя инструмент «Визуализация».



Таким образом, итогом работы стала полностью метрическая BIM-модель утраченных фасадов западного флигеля замка Кенигсберг, из которой были выведены в чертежи фасадов с геометрическими размерами, представленные в Приложениях Б, В, Г, Д. Так если наложить итоговое облако точек, по которому строилась модель, на чертеж плана первого этажа замка 1963 года, можно увидеть совпадения контуров для южного и северного фасадов, а также для замковой башни, также можно заметить расхождения для западного и восточного фасадов и особенно для прилегающих круглых башен. В первую очередь это можно связать с тем, что скорее всего этот чертеж был выполнен по архитектурным промерам, поэтому расхождения могут быть уместны.



Если же сравнивать высоты, то высота башни составляет 85.87 метров на чертежах, выведенных из BIM-модели, и 84.5 согласно литературным источникам.













Автор статьи: Пупырева Евгения Валерьевна (Выпускная квалификационная работа бакалавра)
Научный руководитель: к.т.н., доц. А. Е. Войнаровский
---

Распечатать