3D geometric reconstruction of civil infrastructures with neural radiance fields

dc.contributor.advisor-co1SILVA, Moisés Felipe Mello da
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8154941342611201
dc.contributor.advisor-co1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0001-7897-3978
dc.contributor.advisor1COSTA, João Crisóstomo Weyl Albuquerque
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9622051867672434
dc.contributor.memberARAÚJO, Jasmine Priscyla Leite de
dc.contributor.memberSANTOS, Adam Dreyton Ferreira dos
dc.contributor.memberCARDOSO, Diego Lisboa
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2616572481839756
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0507944343674734
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4001747699670004
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-5940-4961
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-5971-3668
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0003-3514-0401
dc.creatorRIBEIRO, Thiago Figueiró
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/6662252151172358
dc.creator.ORCIDhttps://orcid.org/0009-0000-6603-3006
dc.date.accessioned2026-01-29T16:48:10Z
dc.date.available2026-01-29T16:48:10Z
dc.date.issued2025-04-04
dc.description.abstractThe use of noncontact sensing technologies for structural health monitoring (SHM) has signifi- cantly broadened the scope of tools available for precise measurement and analysis in engineering and scientific contexts. They address several limitations of the conventional contact-based sen- sors and at times outperforming them while easier survey, more convenient to install and often low-cost. Digital Twins — dynamic, data-driven virtual replicas of physical structures — have further revolutionized SHM by integrating real-time sensor data with predictive analytics and computational modeling. LiDAR and photogrammetry technology are leveraged to build high- fidelity 3D reconstruction models which can be used to create building information models and digital twins for civil structures. Recent deep learning advancements marked a paradigm shift in several areas, including 3D reconstruction. One particular approach is using Neural Radiance Fields, a deep-learning-based methodology capable of producing high-fidelity 3D models from sparse image datasets, such as those captured using standard consumer-grade cameras or smartphones. NeRF is capable of generating dense point clouds comparable to those generated by Multiview Stereo photogrammetry and terrestrial laser scanning. However, there is a gap in literature addressing the quantitative capabilities of NeRF-based 3D scanning of bridges. This work evaluates the performance of NeRF 3D reconstructions of real-world bridges against SFM/MVS photogrammetry-based models and ground truth data generated via LiDAR. We demonstrate NeRF’s feasibility for large-scale structural assessments, with key insights into its performance under varying data availability, impacting both LOA (Level of Accuracy) metrics and error measurements. NeRF offers higher LOA and lower standard error, mean average error and when compared to Photogrammetry. Overall, NeRF proves to be the more robust and accurate method, especially when balancing data availability with reconstruction quality, positioning it as the preferred choice for 3D modeling in data-limited, budget-constrained, specialized-equipment-scarce scenarios. This approach offers an efficient, cost-effective, and accurate solution to address the increasing demands for infrastructure monitoring within the Architecture, Engineering and Construction industry, thereby reducing economic and technical barriers to adoption.
dc.description.resumoO uso de tecnologias de sensoriamento sem contato para o monitoramento da saúde estrutu- ral (SHM) ampliou significativamente o conjunto de ferramentas disponíveis para medições e análises precisas em contextos científicos e de engenharia. Essas tecnologias superam vá- rias limitações dos sensores convencionais de contato, muitas vezes apresentando desempenho superior, com levantamentos mais ágeis, instalação mais conveniente e frequentemente custo inferior. Gêmeos Digitais — réplicas virtuais dinâmicas e orientadas por dados de estruturas físicas — revolucionaram ainda mais o SHM ao integrar dados de sensores em tempo real com análises preditivas e modelagem computacional. Tecnologias como LiDAR e fotogrametria são utilizadas para criar modelos 3D de alta fidelidade, que podem servir de base para modelos de informações de construções (BIM) e gêmeos digitais de estruturas civis. Avanços recentes em aprendizado profundo marcaram uma mudança de paradigma em diversas áreas, incluindo a reconstrução 3D. Uma abordagem promissora é o uso de Neural Radiance Fields (NeRF), uma metodologia baseada em aprendizado profundo capaz de produzir modelos 3D de alta fidelidade a partir de conjuntos esparsos de imagens, como fotos capturadas por câmeras convencionais ou smartphones. NeRF é capaz de gerar nuvens de pontos densas, comparáveis às produzidas por fotogrametria Multiview Stereo (MVS) e laser scanner terrestre. No entanto, há uma lacuna na literatura quanto à avaliação quantitativa das capacidades do NeRF para escaneamento 3D de pontes. Este trabalho avalia o desempenho das reconstruções 3D de pontes reais usando NeRF em comparação com modelos baseados em fotogrametria SFM/MVS e dados de referência gerados por LiDAR. Demonstramos a viabilidade do NeRF para avaliações estruturais em larga escala, com insights interessantes sobre seu desempenho sob diferentes disponibilidades de dados, impactando tanto as métricas de Nível de Precisão (LOA) quanto as medições estatísticas de erro. Modelos NeRF possuem maior LOA e valores menores de erro médio, desvio padrão e erro quadrático médio quando comparados com modelos de fotogrametria. No geral, o NeRF se mostrou um método mais robusto e preciso, especialmente ao equilibrar a disponibilidade de dados com a qualidade da reconstrução, posicionando-se como a escolha preferida para modela- gem 3D em cenários de dados limitados, restrições orçamentárias e escassez de equipamentos especializados. Essa abordagem oferece uma solução eficiente, econômica e precisa para atender à crescente demanda por monitoramento de infraestrutura no setor de Arquitetura, Engenharia e Construção, reduzindo assim as barreiras econômicas e técnicas à adoção dessa tecnologia.
dc.description.sponsorshipFAPESPA - Fundação Amazônia de Amparo a Estudos e Pesquisas
dc.identifier.citationRIBEIRO, Thiago Figueiró. 3D geometric reconstruction of civil infrastructures with neural radiance fields. Orientador: João Crisóstomo Weyl Albuquerque Costa. 2025. 96 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, ano de defesa. Disponível em:https://repositorio.ufpa.br/handle/2011/17905 . Acesso em:.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/17905
dc.languageporpt_BR
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Federal do Parápt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentInstituto de Tecnologiapt_BR
dc.publisher.initialsUFPApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétricapt_BR
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.source.uriDisponível na internet via correio eletrônico: bibliotecaitec@ufpa.br
dc.subjectNeural radiance fields
dc.subjectEscaneamento 3D
dc.subjectNúvens de ponto 3D
dc.subjectRenderização volumétrica
dc.subjectSHM
dc.subjectNeural radiance fields
dc.subject3D scanning
dc.subject3D point clouds
dc.subjectVolumetric rendering
dc.subjectBuilding information modeling
dc.subject.areadeconcentracaoCOMPUTAÇÃO APLICADA
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
dc.subject.linhadepesquisaINTELIGÊNCIA COMPUTACIONAL
dc.title3D geometric reconstruction of civil infrastructures with neural radiance fields
dc.typeDissertaçãopt_BR

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