3D LAND MODELLING FROM PHOTOS ( MODELADO 3D DE TERRENOS A PARTIR DE FOTOGRAFÍAS )

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1 3D LAND MODELLING FROM PHOTOS ( MODELADO 3D DE TERRENOS A PARTIR DE FOTOGRAFÍAS ) J. Santamaría 1 y F. Sanz 2 1 Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de La Rioja, C/ Luis de Ulloa, Logroño jacinto.santamaria@unirioja.es 2 Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de La Rioja, C/ Luis de Ulloa, Logroño felix.sanz@unirioja.es Resumen Existe un interés creciente en la modelización tridimensional de terrenos para distintos propósitos. Hasta ahora las técnicas de simulación se basaban fundamentalmente en herramientas gráficas más o menos complejas que utilizando nubes de puntos del terreno, simulaban redes o mallas en 3D adaptadas a dicho terreno. Recientemente han aparecido otras herramientas con igual objetivo, pero cuya filosofía es muy distinta y que consiste en crear dichos modelos tridimensionales utilizando series de fotografías con amplias zonas solapadas obtenidas desde distintos puntos de vista. Utilizando algoritmos de detección automática de puntos homólogos y deducción de parámetros de transformación, es posible hallar puntos 3D de dichos terrenos con relativa precisión. Con ello se obtiene el mallado que define el modelo digital de un terreno y sobre ese mallado se puede solapar la imagen del terreno y de todos los objetos que sobre él se localicen. Herramientas de reciente aparición, como AUTODESK 123d Catch, pueden cumplir perfectamente este propósito. Nuestro objetivo en esta comunicación es profundizar en dicha aplicación y analizar su adecuación para la generación de modelo 3d de terrenos a partir de fotografías. Se intentará comparar la idoneidad de dicho programa frente a otras técnicas más tradicionales. La obtención de modelos 3d de terrenos a partir de fotografías puede ser una buena herramienta para la obtención rápida de dichos modelos sin necesidad de acudir a procedimientos topográficos complejos y costosos. Dichos modelos pueden servir para estudios previos de planeamiento, anteproyectos, presentaciones,... Palabras clave: modelos 3d terrenos; modelización; fotos. Abstract 3D LAND MODELLING FROM PHOTOS There is increasing interest in three-dimensional modeling of land for various purposes. So far simulation techniques based mainly on graphics tools more or less complex than using terrain point clouds, simulated 3D mesh networks or adapted to the terrain. Other tools have recently appeared with the same objective, but whose philosophy is very different and that is to create three-dimensional models using these series of photographs with large overlapping areas obtained from different viewpoints. Using automatic detection algorithms and deduction homologous points of transformation parameters, is possible to deduce that land 3D points with relative accuracy. This gives the mesh that defines the digital terrain model and meshing that may overlap the image of the land and all the objects that are located on it. Recent tools like Autodesk 123D Catch, can fulfill this purpose perfectly. Our goal in this paper is to examine the application and analyze its suitability for generating 3D terrain model from photographs. We will try to compare the suitability of this program over other more traditional techniques. Obtaining land 3d models from photographs can be a good tool for the rapid acquisition of these models without having to resort to complex and costly procedures topographic. These models can be used to pre-planning studies, preliminary designs, presentations, Keywords: 3D Land Modelling; modellization; photos

2 Introducción La obtención de modelos del terreno en tres dimensiones, normalmente viene asociada a complicados métodos topográficos relacionados con la definición de nubes de puntos más o menos complejas con las que poder trabajar. Para obtener la representación tridimensional de un terreno siempre ha sido necesario abordar un laborioso proceso de trabajo de campo y tediosos cálculos posteriores (Aguilar Torres, M.A. el al., 2001). Además, al modelo digital del terreno obtenido hay que dotarlo de textura realista y, para ello, se suele recurrir al uso de ortofotografía digital con suficiente resolución. En los últimos años han surgido herramientas que facilitan la generación de modelos tridimensionales del terreno de una manera rápida, simple y con suficiente precisión. Suelen ser desarrollos en entornos CAD, pero pueden incorporar otras metodologías (Carvajal Ramírez, F. et al., 1.999). En esta comunicación, se describen la metodología y los resultados obtenidos en la modelización de terrenos en distintos ámbitos (Martínez Ruiz, R. et al., 2001), utilizando un software de reciente aparición y basado en la obtención de modelos del terreno directamente a partir de fotografías. Este software es Autodesk 123D Catch, que aunque en un principio no está orientado a la generación de modelos de terreno, su metodología de trabajo puede también aplicarse a estos. Material y Métodos Para la obtención de modelos del terreno con Autodesk 123D Catch, es necesario partir de una serie de fotografías de dicho terreno obtenidas desde distintos puntos de vista, estratégicamente seleccionados, de forma que se obtengan suficientes puntos homólogos de control entre pares de fotografías. En general, serán necesarias un mínimo de 8 fotografías, bien enfocadas y posicionadas, pero no necesariamente de excesiva resolución. Las fotografías obtenidas, se envían online a los servidores de Autodesk, en donde son procesadas. La aplicación nos devuelve el modelo generado, que puede ser modificado por el usuario. Figura 1. Serie de fotografías a procesar. Se puede elegir entre un mallado de máxima calidad y denso, un mallado estándar orientado a la visualización en pantalla o un mallado de media-baja resolución, apto para visualización en dispositivos móviles. En general, para modelizar terrenos suele ser suficiente con un mallado estándar, ya que si lo que se pretende es obtener modelos de alta precisión, sería necesario utilizar otros procedimientos.

3 Cuando el software encuentra problemas en la búsqueda puntos homólogos en alguna fotografía, nos permite introducir manualmente stitches, de forma que podemos mejorar el modelo propuesto (Velilla Lucini, M.C. & Salinas González, F.J., 2002). Figura 2. Ajuste manual de puntos homólogos (stitches). Una vez que las fotografías están convenientemente correlacionadas mediante sus puntos homólogos, el software es capaz de generar el mallado tridimensional que define cada una de las superficies. Figura 3. Modelo con textura de imagen. Figura 4. Modelo y posición de la cámara. Figura 5. Mallado estándar de glorieta inmersa en zona urbana, incluyendo edificios colindantes. Problemas encontrados en la obtención de los modelos Es frecuente observar en los modelos zonas vacías, que no han conseguido cubrirse con textura. Esto suele suceder cuando las fotografías no han sido tomadas con suficiente solapamiento o están excesivamente espaciadas. No obstante, la aplicación permite la incorporación de más fotografías que cubran estos huecos y terminen de completar el modelo. Figura 6. Errores en la modelización: zonas sin modelo.

4 Cuando en las imágenes aparecen elementos verticales que sobresalen del terreno, la modelización se ajusta a los elementos horizontales y también a los verticales, pero se mantiene una zona de transición que suele deformar excesivamente los modelos. Esto suele ser especialmente visible en terrenos con arbolado y con edificaciones cercanas. Como ejemplo, exponemos el siguiente caso: La modelización del terreno se ha realizado con menor resolución que la modelización de la fachada del edificio. Esto es debido a que el programa encuentra más fácilmente puntos homólogos en la fachada del edificio (esquinas de ventanas, ), que tiene más nitidez, y utiliza en mayor número estos puntos para obtener el modelo. Sin embargo, en el terreno, encuentra más dificultades para localizar puntos de ajuste. Y el resultado es una mediocre resolución en la obtención del modelo. Como consecuencia, las zonas de transición entre el terreno y los edificios quedan muy poco modeladas, observándose errores groseros en dichas zonas. Figura 7. Terreno junto a edificio. Algo similar ocurre cuando la imagen presenta arbolado. El software trata de modelizar también los árboles de la imagen y provoca ciertas aberraciones en el modelo. El modelado de árboles es bastante complejo, ya que son necesarios muchos stitches para conseguir un resultado aceptable y es muy complicado evitar las sombras que necesariamente se producen en una masa arbórea y que impiden tener textura suficiente para modelizar. Figura 8. Terreno ondulado junto a árboles. Ejemplos de resultados positivos en el modelado: Figura 9. Terreno homogéneo, en ladera uniforme.

5 Figura 10. Resultados positivos en la modelización. Resultados, Discusión y posibles aplicaciones agronómicas. Excluyendo los citados inconvenientes y siendo meticulosos a la hora de obtener las fotografías, puede decirse que para pequeñas superficies de terreno ligeramente ondulado y sin elementos verticales que distorsionen el modelo, la técnica de modelado 3D de terrenos con Autodesk 123D Catch, puede ser utilizada. Pero debemos tener en cuenta que los objetivos de dicha simulación, en ningún caso pueden ser la obtención de modelos de alta precisión. Esta técnica pude servir para primeras aproximaciones, anteproyectos, estudios preliminares,, pero en ningún caso puede sustituir a otras técnicas o procedimientos topográficos ya existentes y consolidados, como pueden ser un escaneo laser 3D terrestre, con los que obtendremos sin duda un modelado de mucha mayor precisión y resolución. En cuanto a las posibles aplicaciones agronómicas de la metodología en su actual estado de desarrollo, pueden citarse las siguientes: - Modelización rápida de pequeñas zonas erosionadas, sometidas a fuertes escorrentías (barrancos, cárcavas, ). - Modelización de terrenos en pendiente, para su posterior simulación en procesos de reforestación. - Fases iniciales de simulación de construcciones agrícolas sobre el terreno real. - Estimación rápida de perfiles y cubicación aproximada en pequeños movimientos de tierra sobre parcelas reales. - Análisis visual del paisaje desde diferentes puntos de vista y creación de pequeños recorridos virtuales sobre el terreno. Conclusiones La técnica de modelado descrita en esta comunicación propuesta por Autodesk, debería ser depurada o adaptada para el caso de modelizar terrenos. Las posibilidades de modificación o manipulación del modelo generado son muy limitadas y el usuario obtiene en muchas ocasiones resultados poco aprovechables. Parece que esta técnica está más orientada a la modelización de objetos geométricos básicos (cuerpos, caras, piezas, ). La modelización de terrenos presenta otras dificultades (Priego de los Santos, E. & Porres de la Haza, M.J., 2002). como la ausencia o escasez de puntos homólogos en las fotografías (Martínez Rodríguez, S. el al., 2012), que dificultan la obtención de modelos de mediana precisión y/o resolución.

6 Bibliografía Referencias: Aguilar Torres, M.A., Carvajal Ramírez, F., Aguilar Torres, Francisco Agüera, F. J. (2001) Evaluación de diferentes técnicas de interpolación espacial para la generación de modelos digitales de elevación del terreno agrícola. Mapping 74, Carvajal Ramírez, F., Aguilar Torres, F.J., Agüera Vega, F. (1999). Obtención de modelos digitales de elevación del terreno para su uso en entornos CAD. Actas del XI Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica, 1, Martínez Rodríguez, S., Ortiz Sanz, J., Gil Docampo, M. L. (2012). Fotogrametría terrestre de objeto cercano en la documentación 3D: Revisión de casos. Spanish journal of rural development 3, Martínez Ruiz, R., González Gámez, F., Gordo Murillo, C. (2001). Análisis de las Metodologías habituales para la generación de Modelos Digitales de Terreno. Mapping 71, Priego de los Santos, E., Porres de la Haza, M.J. (2002). La triangulación de Delaunay aplicada a los modelos digitales del terreno. X Congreso del Grupo de Métodos Cuantitativos, Sistemas de Información Geográfica y Teledetección, 9. Velilla Lucini, M.C., Salinas González, F.J. (2002). Estudio métrico por Fotogrametría Terrestre: Documentación de pequeños monumentos. Mapping 83, LIBROS: Sanjosé, J.J. de, García León, J., López González, M. (2000). Introducción a las ciencias que estudian la geometría de la superficie terrestre: geodesia, fotogrametría, cartografía, topografía. Madrid : Edit. Bellisco. ISBN The Geological Society of London (2001). Land surface evaluation for Engineering practice. Published by The Geological Society, nº 18. ISBN PÁGINAS WEB: