Combining photogrammetric and bathymetric data to build a 3D model of a canal tunnel. (2nd September 2021)

• Record Type: Journal Article
• Authors: Moisan, Emmanuel; Heinkelé, Christophe; Foucher, Philippe; Charbonnier, Pierre; Grussenmeyer, Pierre; Guillemin, Samuel; Koehl, Mathieu
• Is Part Of: Photogrammetric record. Volume 36:Number 175(2021)
• Page Start: 202
• Page End: 223
• Publication Date: 2021-09-02
• Subjects: 3D modelling -- bathymetry -- canal tunnel -- dynamic recordings -- photogrammetry; Photogrammetry -- Periodicals; 526.982
• DOI: 10.1111/phor.12379
• Languages: English
• ISSNs: 0031-868X

Abstract

Abstract: This paper introduces an original method for modelling in 3D the full tube (both vault and canal) of navigable tunnels using data acquired dynamically from a boat. The recording system is composed of cameras that provide images of the vault and a multibeam echo sounder that acquires 3D profiles underwater. Reconstructing partially submerged structures, in a confined environment where no global positioning system signal is available, is challenging. The method exploits the capabilities of photogrammetry, not only to reconstruct the tunnel vault, but also to estimate the trajectory of the vessel, which is necessary to rearrange sonar profiles and form the 3D model of the canal. The comparison of a model reconstructed from in situ dynamic acquisitions with a reference one, obtained from static laser and sonar acquisitions, shows that the accuracy is of the order of a centimetre for the vault, while it is decimetric for underwater features. Abstract : An original method for 3D modelling of the full tube (both vault and canal) of navigable tunnels from a boat is introduced. Cameras provide images of the vault and a multibeam echo sounder acquires 3D profiles underwater. Despite the absence of satellite signals, the capabilities of photogrammetry are exploited not only to reconstruct the tunnel vault, but also to estimate the trajectory of the vessel, which is necessary to rearrange sonar profiles and form the full 3D model of the canal. Résumé: Dans cet article, nous présentons une méthode originale pour modéliser en 3D le tube complet (c'est‐à‐dire la voûte et le canal) des tunnels navigables en utilisant des données acquises en dynamique depuis un bateau. Le système d'acquisition est composé de caméras qui fournissent des images de la voûte du tunnel, et d'un sondeur multifaisceaux qui acquiert des profils 3D sous l'eau. La reconstruction de structures partiellement immergées, dans un environnement confiné où aucun signal du système de positionnement global n'est disponible, représente un défi. Notre méthode exploite les capacités de la photogrammétrie, non seulement pour reconstruire le volume de la voûte du tunnel, mais aussi pour estimer la trajectoire du navire porteur, ce qui est nécessaire pour réarranger les profils sonar et former le modèle 3D du canal. La comparaison d'un modèle reconstruit à partir d'acquisitions dynamiques in‐situ avec un modèle de référence, obtenu à partir d'acquisitions laser et sonar statiques, montre que la précision est de l'ordre du centimètre pour la voûte, alors qu'elle est décimétrique pour les parties sous‐marines. Zusammenfassung: In diesem Beitrag stellen wir eine originale Methode zur 3D‐Modellierung der gesamten Röhre (d. h. Gewölbe und Kanal) von befahrbaren Tunneln anhand von Daten vor, die dynamisch von einem Boot aus erfasst werden. Das Aufnahmesystem besteht aus Kameras, die Bilder des Gewölbes liefern, und einem Fächerecholot, das 3D‐Profile unter Wasser aufnimmt. Die Rekonstruktion von teilweise untergetauchten Strukturen in einer beengten Umgebung, in der kein Signal des globalen Positionierungssystems verfügbar ist, ist eine Herausforderung. Unsere Methode nutzt die Möglichkeiten der Photogrammetrie, nicht nur um das Tunnelgewölbe zu rekonstruieren, sondern auch um die Trajektorie des Schiffes abzuschätzen, die notwendig ist, um die Sonarprofile neu anzuordnen und das 3D‐Modell des Kanals zu erstellen. Der Vergleich eines Modells, das aus dynamischen In‐situ‐Erfassungen rekonstruiert wurde, mit einem Referenzmodell, das aus statischen Laser‐ und Sonarerfassungen gewonnen wurde, zeigt, dass die Genauigkeit für das Gewölbe in der Größenordnung von einem Zentimeter liegt, während sie für die Unterwasserteile im Bereich von Dezimetern liegt. Resumen: En este artículo presentamos un método original para modelar en 3D el tubo completo (es decir, la bóveda y el canal) de los túneles navegables utilizando datos adquiridos dinámicamente desde un barco. El sistema de adquisición está compuesto por cámaras que proporcionan imágenes de la bóveda, y una ecosonda multihaz que adquiere perfiles 3D de la parte sumergida. La reconstrucción de estructuras parcialmente sumergidas, en un entorno cerrado en el que no se dispone de señal del sistema de posicionamiento global, es un reto. Nuestro método explota las capacidades de la fotogrametría, no sólo para reconstruir la bóveda del túnel, sino también para estimar la trayectoria de la embarcación, necesaria para reordenar los perfiles del sonar y formar el modelo 3D del canal. La comparación del modelo reconstruido a partir de adquisiciones dinámicas in situ con uno de referencia, obtenido a partir de adquisiciones estáticas con láser y sonar, muestra que la precisión es del orden de un centímetro para la bóveda, mientras que es decimétrica para las partes sumergidas. 摘要: 本文介绍了一种使用从船上动态获取的数据对可通航隧道的整个管道（拱顶和运河）进行三维建模的原创方法。数据获取系统由拍摄拱顶图像的摄像机和获取水下三维剖面的多波束回声测深仪组成。在没有全球定位系统信号的封闭环境中重建部分淹没的结构具有挑战性。该方法利用摄影测量技术，不仅重建隧道拱顶，而且估计船只移动的轨迹，这是重新排列声纳剖面和形成运河三维模型所必需的。从现场动态采集重建的模型与静态情况下通过激光扫描和声纳采集获得的参考模型的比较表明，拱顶的精度为达到厘米级，而水下特征的精度为分米级。