Интеграция фотограмметрии БЛА и лидарных данных для высокоточной 3D-картографии кампуса KFUPM

Почему превращение кампуса в цифровой мир важно

Представьте, что вы можете исследовать университетский кампус онлайн так, как если бы гуляли по нему лично — заглядывать на фасады зданий, проверять маршруты для колясок или осматривать крыши, не лезя по лестницам. В этой статье показано, как исследователи преобразовали кампус Университета нефти и минералов короля Фахда (KFUPM) в высокодетализированный трёхмерный «цифровой двойник» с помощью дронов с камерами, лазерных сканеров и продвинутого программного обеспечения для улучшения изображений. Их цель — не просто красивые картинки, а практичная, обновляемая 3D‑карта, которая поддерживает безопасность, обслуживание, навигацию и виртуальные визиты.

Летающие роботы как картографы кампуса

В основе проекта лежат беспилотные летательные аппараты — дроны, которые облетают кампус по заранее спланированным маршрутам. Часть полётов выполняют по прямой, в «газонокосильном» узоре с камерой, направленной вертикально вниз; такой режим идеален для съёмки крыш, дорог и открытых пространств. Другие полёты кружат вокруг групп зданий с наклонённой камерой, что позволяет запечатлеть вертикальные стены, балконы и скрытые углы, которые сверху не видны. На одном и том же дроне установлены высокоразрешающая цветная камера и лазерный сканер. Камера фиксирует детализированные изображения, а сканер измеряет миллионы расстояний, создавая облако трёхмерных точек, описывающих форму рельефа и зданий.

Построение виртуального кампуса из точек и изображений

После завершения полётов основная обработка переносится в программное обеспечение. Сначала алгоритмы восстанавливают 3D‑модель из перекрывающихся фотографий — процесс, который определяет, где была сделана каждая съёмка и как поверхности совпадают. Параллельно lidar‑данные очищают, выравнивают и классифицируют на грунт, здания и растительность, затем редуцируют так, чтобы точки оставались достаточно плотными для деталей, но при этом легкими для обработки. Два трёхмерных представления — одно, построенное по изображениям, и другое, по лазерным измерениям — приводят к общей географической системе координат и аккуратно совмещают, чтобы крыши и стены максимально совпадали. Лидарные точки дают надёжную форму кампуса, а фотографии добавляют цвет и вид материала, которые «запекают» на поверхностную сетку, словно надевают кожу на скульптуру. Такое разделение сохраняет точность измерений и одновременно обеспечивает визуально насыщенную модель.

Уточнение изображения без искажения реальности

При сильном приближении фасады зданий на простых текстурах могут выглядеть размытыми или пикселизированными. Чтобы с этим справиться, исследователи добавляют лёгкий этап «суперразрешения»: компактную сеть глубокого обучения, которая берет каждую аэрофотоснимок и выдаёт более чёткую, детализированную версию с удвоенным разрешением. Важно, что это улучшение применяется только к текстурам изображений, после того как 3D‑геометрия уже зафиксирована данными лидара. Это означает, что стены и крыши не смещаются; меняется только их визуальная «одежда». Испытания на примерах фасадов показывают более чёткие контуры и читаемые мелкие детали, такие как окна и небольшие конструктивные элементы, с умеренным увеличением времени обработки. Команда также сравнивает этот обученный метод с традиционными приёмами вроде повышения контраста и обнаруживает, что обученный подход даёт более стабильный выигрыш без чрезмерного усиления шума.

От исследовательской модели к повседневному инструменту кампуса

Готовый 3D‑кампус экспортируют в веб‑платформу картографии, где пользователи могут панорамировать, увеличивать, наклонять и выполнять измерения прямо в браузере.

Что это значит для будущих цифровых кампусов

Исследование демонстрирует, что сочетание наклонных и вертикальных съёмок дронами с лазерной съёмкой даёт более полную и точную 3D‑модель кампуса, чем полагаться только на съёмки сверху, особенно для сложных фасадов. Также показано, что улучшение изображений может безопасно повысить визуальное качество, не подрывая точность измерений, при условии, что оно применяется только к текстурам, а не к геометрии. За пределами KFUPM тот же подход можно использовать для больниц, промпарков или городских кварталов, которым нужны регулярно обновляемые, готовые к веб‑публикации 3D‑карты. Коротко говоря, работа указывает на будущее, где кампусы поддерживают живые цифровые двойники, служащие инспекторам, планировщикам, студентам и посетителям — делая окружающую среду проще для понимания, управления и исследования.

Цитирование: Keshk, H.M., Abdallah, A.M., Almutairi, S. et al. UAV photogrammetry and lidar integration for high-fidelity 3D campus mapping at KFUPM. Sci Rep 16, 8328 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39888-4

Ключевые слова: умный кампус, 3D-картография, съёмка дронами, LiDAR, цифровой двойник