Создание и обновление трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования

Антипов, Андрей Викторович

Автореферат диссертации по теме "Создание и обновление трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования"

На правах рукописи

005053253

Антипов Андрей Викторович

СОЗДАНИЕ И ОБНОВЛЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ РЕАЛИСТИЧНЫХ СЦЕН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ ПО ДАННЫМ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 ОКТ 2012

Новосибирск - 2012

005053253

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Широкова Тамара Антоновна.

Официальные оппоненты: Хлебникова Татьяна Александровна,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «СГГА», доцент кафедры инженерной геодезии и информационных систем;

Никитина Юлия Владимировна, кандидат технических наук, Западно-Сибирский филиал государственной инвентаризации лесов федерального государственного унитарного предприятия «Рослесинфорг» «Запсиблеспроект», начальник отдела дистанционного мониторинга.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения», г. Новосибирск.

Защита состоится 15 ноября 2012 г. в 15.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «СГГА» по адресу: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан 3 октября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Середович В.А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 28.09.2012. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ¡ОО-Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного,10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современный город - это динамически развивающаяся система, постоянно включающая в свой состав новые объекты антропогенного и естественного происхождения. Для успешного развития городской инфраструктуры необходимо иметь актуальную информацию о состоянии городской территории, периодически обновлять соответствующие топографические карты и планы.

В последнее время стали широко использоваться трехмерные топографические модели местности, которые по сравнению с традиционным способом представления метрической информации обладают определенными преимуществами, в частности наглядностью, возможностью получения пространственных координат любой точки модели и рассмотрения трехмерной модели (ЗО модели) с различных ракурсов, что несомненно способствует более эффективному решению задач градоустройства. Воздушное лазерное сканирование (ВЛС), сопровождаемое цифровой съемкой, является наиболее эффективным методом сбора информации для построения 30 моделей городских территорий, поскольку обеспечивает получение лидарных данных с высокой плотностью, точностью и оперативностью.

Решению задач обработки данных лазерной локации посвящены работы как отечественных ученых: Журкина И. Г., Середовича В. А., Медведева Е. М., Данилина И. М., Мельникова С." Р., так и зарубежных: Аксельсон П., Кох Б., Вассельман Дж. и других.

Разработаны различные алгоритмы и программные продукты (ПП) для обработки данных лидарной съемки. Однако в применяемых в настоящее время методиках имеется ряд нерешенных вопросов, связанных с классификацией точек лазерных отражений, исключением грубых ошибок, выявлением изменений по разновременным данным воздушного лазерного сканирования и т. д.

В связи с этим совершенствование методики создания и обновления трехмерных реалистичных сцен с использованием материалов лазерно-локационной (ЛЛ) съемки и цифровых снимков, обеспечивающей повышение достоверности и оперативности обработки данных воздушного лазерного сканирования является актуальным.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании методики совместного использования данных лазерно-локационной съемки и цифровых снимков для создания и обновления трехмерных моделей рельефа и объектов ситуации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- усовершенствовать методику построения и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования и цифровых съемок;

- определить оптимальные параметры классификации точек лазерных отражений от земли, на основе алгоритма молдинга;

- разработать методику исключения ошибок автоматической классификации лазерно-локационных точек, отнесенных к земной поверхности;

- разработать методику выявления изменений на местности по данным разновременных лидарных съемок;

- провести экспериментальные исследования предложенных методик и сформулировать рекомендации по их практическому применению.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются трехмерные текстурированные сцены городских территорий, предметом -методика создания и обновления трехмерных текстурированных моделей рельефа и объектов ситуации.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований.

Методологической и теоретической основой работы являются методы вычислительной математики, статистической обработки результатов измерений, подходы и методы обработки лидарных данных и цифровых снимков. В качест-

ве программного обеспечения для обработки данных воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки использовались ПП TerraSolid, 3DS МАХ 8.

Информационная база исследования. При проведении экспериментальных работ в качестве исходных были использованы данные лазерно-локационных съемок трех участков городской местности, включающие: материалы воздушного лазерного сканирования, аэрофотоснимки, параметры цифровых камер, траектории полета носителя, информацию о времени срабатывания затворов, координаты контрольных точек, цифровые снимки зданий.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

- усовершенствованная методика построения и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий на основе данных BJIC и цифровых снимков;

- оптимальные параметры классификации точек лазерных отражений от земли с использованием метода молдинга;

- методика исключения грубых ошибок автоматической классификации лазерно-локационных точек, принадлежащих земной поверхности;

- методика выявления изменений на местности с использованием данных воздушного лазерного сканирования.

Научная новизна результатов исследования заключается в усовершенствовании методики создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий на основе данных воздушного лазерного сканирования и цифровых снимков, которая отличается от традиционной тем, что предложен новый подход к выбору оптимальных параметров автоматической классификации точек лазерных отражений от земли с использованием метода молдинга, фильтрации грубых ошибок автоматического выделения лазерных точек и обновлению трехмерных текстурированных моделей.

Научная значимость работы заключается в разработке:

- методики отбраковки ошибок автоматической классификации точек лазерных отражений от земной поверхности;

- методики определения изменений, происходящих на местности, на основе материалов лазерно-локационной съемки.

Практическая значимость работы. В результате исследований усовершенствована методика создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования и цифровым снимкам, обеспечивающая повышение оперативности и надежности построения текстурированных 30 моделей для решения широкого круга инженерных задач. Разработана методика исключения грубых ошибок автоматической классификации точек лазерных отражений от земли, повышающая точность и достоверность создаваемой на их основе цифровой модели рельефа. Разработана методика определения изменений на местности, позволяющая оперативно выявлять динамику изменений, особенно объектов небольшого размера. Даны практические рекомендации о необходимости проведения процедуры уравнивания координат точек лазерных отражений.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим позициям:

- № 3 - «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

- № 5 - «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VI Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2010», 19-23 апреля 2010 г., г.Новосибирск; на Международном студенческом форуме «ГЕОМИР — ЗБ 2010», 21-25 сентября 2010 г., г. Новосибирск; XI Республиканской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых преподавателей: «Творчество молодых - инновационное развитие Казахстана», посвященной 20-летию

Независимости Республики Казахстан; ВКГТУ им. Д. Серикбаева, 19-23 апреля 2011 г., г. Усть-Каменогорск; VII Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., г.Новосибирск; Международной научной конференции "Innovative technologies for an efficient geospatial management of earth resources", 4-9 сентября 2011 г., г. Улан-Батор (Монголия); Международной научной конференция 3S-2011, 9-14 октября 2011 г., г.Ухань (КНР); VIII Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., г. Новосибирск.

Разработанные методики и рекомендации использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме: «Разработка технологии и методов создания реалистичных трехмерных моделей техногенных и природных объектов на основе комплексного использования данных дистанционного зондирования Земли». Номер государственной регистрации НИР: 5.5834.2011.

Разработанные методики и практические рекомендации внедрены в ООО «Лаборатория автоматизации геодезических и фотограмметрических работ» и были использованы при построении высокоплотной цифровой модели рельефа, ортофотопланов и топопланов по данным BJIC и аэрофотосъемки в соответствии с договором подряда от 19 сентября 2011 г. № 26/2 на выполнение работ по созданию цифровых топографических планов масштаба 1 : 2 000 на территории населенных пунктов Тюменской области.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс СГГА и используются при изучении специальных дисциплин студентами специальностей «Аэрофотогеодезия» и «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», профиля «Аэрокосмические съемки, фотограмметрия» направления «Геодезия и дистанционное зондирование».

Публикации по теме диссертации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 10 научных работах, из них 2 статьи - в изданиях, входящих в Перечень рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 157 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заклю-

чения, списка использованных источников, включающего 95 наименований. Работа содержит 19 таблиц, 41 рисунок, 7 приложений.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 012-2011.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первом разделе рассмотрены принцип измерения наклонной дальности, достоинства и недостатки использования воздушного лазерного сканирования; выполнена классификация лазерно-локационных съемочных систем; приведен обзор навигационных комплексов, применяемых при лидарной и аэрофотосъемке; рассмотрены области применения данных воздушного лазерного сканирования, методы классификации лазерно-локационных точек.

Отмечено, что трехмерные модели рельефа и объектов ситуации, полученные по данным лидарной съемки, обладают большей наглядностью, чем традиционная топографическая продукция. Анализ современных методов получения метрической информации по материалам лазерно-локационной съемки показал, что в существующей технологии имеется ряд процессов, которые требуют доработки для повышения надежности и достоверности при создании трехмерных реалистичных сцен.

Во втором разделе предложена усовершенствованная методика создания и обновления трехмерных реалистичных сцен, которая включает: разработанные методики исключения ошибок автоматической классификации точек лазерных отражений от земли, создания ортофотопланов с применением данных воздушного лазерного сканирования, выявления изменений на местности с использованием лидарных данных.

На рисунке 1 приведена методика создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования и цифровым снимкам.

Рисунок 1 - Методика создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным ВЛС и цифровым снимкам

Предварительная обработка лазерно-локационных данных и аэрофотосъемки включает создание рабочего проекта, формирование слоев и классов лазерных точек, выполнение необходимых преобразований координат, построение границ блоков.

Данные воздушного лазерного сканирования характеризуются наличием ошибочных измерений, которые устраняются с помощью специальных алгоритмов. В процессе исследований были установлены критерии отбраковки ла-зерно-локационных точек.

На основе массива точек лазерных отражений выполняется построение цифровой модели поверхности (ЦМП) в виде нерегулярной сети TIN с шагом, равным среднему расстоянию между лазерными точками.

Важным этапом при обработке данных BJIC является классификация JIJI точек и выделение точек, принадлежащих земле. От качества выполнения этого процесса зависит точность и оперативность построения ЦМР. В программном продукте TerraSolid для выполнения классификации точек лазерных отражений от земли реализован метод молдинга. В работе были выполнены исследования данного метода и определены оптимальные параметры классификации лазерных точек для различных типов местности.

По лазерно-локационным точкам, отнесенных к классу «Земля», строится цифровая модель рельефа. По полученной ЦМР, цифровым снимкам сопровождения и траектории полета создается ортофотоплан, который используется для интерактивной классификации объектов.

Точность определения пространственных координат точек лазерных отражений зависит от характеристик сканера, а также от высоты съемки, качества работы навигационного комплекса. Поскольку влияние этих факторов на каждом маршруте съемки индивидуально, то в области их перекрытия возникает неоднозначность в определении координат точек местности (рисунок 2). В работе выполнены исследования с целью выявления необходимости проведения уравнивания координат лазерно-локационных точек на основе определения

..•■.. разности высот цифровых моделей рельефа, построенных по точкам, находящим-TJIO первого маршрута TJIO второго маршрута

ся в области межмаршрутно-

Рисунок 2 - Расхождения высот ТЛО, полученных с соседних маршрутов го перекрытия.

Автоматическая классификация ТЛО в большинстве случаев не дает 100 % качества результатов. В данной работе предложена методика исключения ошибок автоматического выделения точек лазерных отражений от земли, которая заключается в следующем. На основе результатов автоматической классификации ЛЛ точек класса «Земля» строится редактируемая ЦМР. Для исключения лазерных точек, ошибочно отнесенных к классу «Земля», в местах резкого перепада высот выделяется интересующий участок местности и задается область сечения его вертикальными плоскостями. На основе визуальной оценки пространственного положения отдельных точек относительно общего массива ТЛО производится редактирование цифровой модели поверхности земли в интерактивном режиме. В исключительных случаях, когда в результате совместного анализа редактируемой ЦМР и массива лазерно-локационных точек не представляется возможным сделать окончательный вывод о наличии точек лазерных отражений, ошибочно принятых за точки класса «Земля», дополнительно используется ортофотоплан. После исключения лазерных точек, не принадлежащих земле, выполняется окончательное построение ЦМР и соответствующего ей ортофотоплана.

На следующем этапе проводится классификация лазерно-локационных точек, принадлежащих растительности (травянистая, кустарниковая, древесная). Затем из лазерных точек, отнесенных к высокой растительности, выделяются точки лазерных отражений класса «Здания». Для повышения качества выполнения данного процесса разработаны рекомендации по выбору параметров автоматической классификации - минимального размера стороны здания и его деталей. Лазерно-локационные точки, принадлежащие другим объектам ситуации, выделяются из трех классов растительности в интерактивном режиме.

С использованием точек лазерных отражений, принадлежащих классу «Здания», создаются трехмерные модели строений. В программном продукте ТеггаЗоНс! предусмотрено два способа построения трехмерных моделей зданий: в автоматическом и полуавтоматическом режимах. Для качественного построения моделей необходимо корректно задать параметры их моделирования. Для

отображения растительности по лазерным точкам одноименного класса с помощью специальных алгоритмов кластерного анализа в автоматическом режиме строятся «черновые» трехмерные модели деревьев различных пород и определяется их точное местоположение. Моделирование прочих объектов местности (беседки, фонари, ограждения и др.) выполняется путем вписывания в интерактивном режиме в массив лазерно-локационных точек, принадлежащих конкретному объекту, стандартных примитивов (цилиндров, конусов, плоскостей).

Оценка точности построения трехмерных моделей рельефа и зданий выполняется с помощью координат контрольных точек. При этом вычисляются расхождения геодезических координат контрольных точек, измеренных в процессе полевых работ, и на созданных трехмерных моделях и их средние квадра-тические погрешности (СКП).

Для создания реалистичных текстур зданий на моделируемой территории производится съемка цифровой камерой каждой стены. На основании выполнения практических работ даны рекомендации по съемке зданий и формированию текстур.

На следующем этапе выполняется экспорт созданных в ПП ТеггаЗоШ трехмерных моделей городских территорий в ПП ЗОБ МАХ, в котором производится их текстурирование, заключающееся в правильно ориентированном нанесении изображений на их поверхность. Сначала выполняется текстурирование модели поверхности земли с использованием созданного ранее ортофо-топлана. Далее наносятся изображения на все трехмерные модели зданий. На следующем этапе «черновые» модели деревьев заменяются реалистичными. Для этого применяются встроенные модели, которым присваиваются координаты «черновых» моделей и их параметры.

На последнем этапе производится моделирование прочих объектов городской территории путем замены созданных из примитивов моделей их реалистичными аналогами из библиотеки ЗИЗ МАХ. В результате выполнения всех

этапов методики, представленной на рисунке 1, будет построена трехмерная текстурированная модель городской территории в заданной системе координат.

Одной из наиболее важных задач, требующей решения, является поддержание актуальности информации, отображаемой на топографическом продукте. Для этих целей разработана методика выявления изменений на местности и обновления трехмерных текстурированных моделей городских сцен по данным воздушного лазерного сканирования и цифровым снимкам (рисунок 3).

Рисунок 3 - Методика обновления трехмерных текстурированных моделей

городских сцен по данным воздушного лазерного сканирования и цифровым снимкам

В настоящее время для определения изменений на местности используются алгоритмы, в основе которых лежит анализ спектральных яркостей объектов на разновременных изображениях. На достоверность результатов, полученных с помощью таких алгоритмов, влияет изменение отражательных свойств объек-

тов в зависимости от влажности, освещенности, модели сенсора, а также от особенностей эксплуатации антропогенных объектов. Этих недостатков лишена разработанная методика выявления изменений на основе лидарных данных.

Сущность разработанной методики заключается в следующем. С использованием данных BJIC и цифровых снимков первой и второй эпохи согласно методике, представленной на рисунке 1, выполняются процессы, содержащиеся в блоке 1. Далее на основе разработанной методики (рисунок 3) определяются изменения по разности высот (AZ) соответственных точек моделей. В данном случае соответственными будут являться точки разновременных моделей поверхностей, имеющие одинаковые плановые координаты X и Y. Участки, претерпевшие изменения, локализуются в виде контуров. Далее выполняется анализ AZ в интерактивном режиме, чтобы определить появился или исчез объект, а также выявить характер изменения. Если изменения обнаружены, то на основе блока 2 (рисунок 1) требуется создать трехмерные текстурированные модели рельефа и зданий по данным воздушного лазерного сканирования и цифровым снимкам локальных участков съемки второй эпохи. Далее производится замена (удаление) утративших актуальность или добавление новых моделей рельефа и объектов ситуации.

В третьем разделе описаны экспериментальные исследования разработанных методик и даны практические рекомендации по их применению. Для этого были использованы результаты воздушного лазерного сканирования (таблица 1) городских территорий г. Омска (участок 1), Иволгинского полигона (участок 2) и г. Ниагара-Фоле (участок 3).

Таблица 1 - Исходные данные на исследуемые объекты

Исходные данные Участок 1 Участок 2 Участок 3

Используемая модель лидара Leica ALS 50-II Leica ALS 60 ALTM Gemini

Плотность лазерных точек (точек/м2) 8 4 4

Высота съемки (м) 600 850 900

Площадь участка съемки (км2) 1 16 12

Число контрольных точек 187 43 21

На первом этапе выполнена предварительная обработка материалов лидар-ной съемки, получены единые точечные модели территорий трех городов. Произведено исключение ошибочных ТЛО (рисунок 4) и построена цифровая модель поверхности.

На следующем этапе классифицированы лазерно-локационные точки класса «Земля». В ходе экспериментальных исследований на основе 33 блоков лазерных точек (в среднем содержащих по 33 тыс. точек), относящихся к 7 типам местности, были получены оптимальные параметры автоматической классификации точек лазерных отражений от земной поверхности (таблица 2).

Таблица 2 - Рекомендуемые параметры автоматической классификации ЛЛ точек, принадлежащих земной поверхности, для различных типов местности

Рисунок 4 - Массив ТЛО с наличием ошибочных измерений

Тип местности Максимальный размер стороны здания, м Угол приближения Дистанция приближения, м

Застроенная ■ равнинная С высокой застройкой Измеряется по аэрофотоснимкам от 9° до 11° от 0,3 до 0,5

С низкой застройкой от 8° до 11° от 0,3 до 0,5

С низкой застройкой и густой древесной растительностью от 7° до 11° от 0,3 до 0,5

Незастроенная Равнинная с редколесьем 1 от 8° до 9° от 0,2 до 0,3

Равнинная и залесенная 1 от 8° до 9° от 0,4 до 0,5

Всхолмленная, открытая 1 от 13° до 17° от 1,0 до 1,5

Всхолмленная с густой древесной растительностью 1 от 12° до 16° от 1,0 до 1,5

Из анализа результатов исследований можно сделать следующие выводы: для обеспечения более достоверных результатов автоматической классификации точек лазерных отражений от земной поверхности весь обрабатываемый массив лазерных точек необходимо делить на блоки и задавать параметры автоматической классификации лазерно-локационных точек земли, в первую оче-

редь, в зависимости от характера рельефа, а также наличия растительности и строений; при обработке данных лидарной съемки равнинной местности после автоматического отнесения ЛЛ точек в класс «Земля» с использованием оптимальных параметров классификации интерактивную коррекцию результатов можно не выполнять, что значительно увеличивает производительность камеральных работ; после автоматической классификации ТЛО от земной поверхности районов съемки со сложным рельефом необходимо проводить коррекцию результатов в интерактивном режиме.

На основе ЛЛ точек класса «Земля» построены цифровые модели рельефа. С использованием цифровых снимков, ЦМР и траектории полета выполнено построение предварительного варианта ортофотоплана, точность которого не позволяет использовать его как конечный продукт, но достаточна для интерактивной классификации ТЛО от земной поверхности.

Уравнивание ЛЛ точек выполнено при обработке материалов съемок территорий трех городов. Проведены экспериментальные исследования факторов (крен, тангаж и курс, разность высоты полета летательного аппарата и флуктуации аппаратуры), влияющих на качество обработки данных, и как следствие на качество построения ЦМР. Результаты оценки точности приведены в таблице 3, где дгтах, 5г, тдг - максимальное, среднее и среднее квадратическое расхождение высот контрольных точек соответственно.

Таблица 3 - Результаты оценки точности построения ЦМР

Название территории Параметры оценки точности

до уравнивания 2 после уравнивания 2

м м /лдг, м А2тах, М Ь2, м тдг, м

Участок 1 0,140 0,078 0,088 0,122 0,067 0,085

Участок 2 0,164 0,085 0,108 0,126 0,025 0,036

Участок 3 0,142 0,060 0,071 0,082 0,046 0,056

В результате исследований можно сделать следующие выводы. С целью экономии времени камеральной обработки лидарных данных перед автоматическим отнесением ЛЛ точек в класс «Земля» рекомендуется производить про-16

цедуру уравнивания измеренных высот лазерных точек. При незначительной высоте ЛЛ съемки, высокой плотности ТЛО и разностях координат Ъ точек, расположенных в области перекрытия маршрутов, менее 5 см, процедуру уравнивания можно не выполнять, поскольку она не приводит к значительному изменению точности построения ЦМР, что подтверждают результаты обработки данных ВЛС территории г. Омска.

Для повышения точности и достоверности цифровой модели рельефа с использованием разработанной методики были исключены лазерные точки, ошибочно отнесенные в класс «Земля» (рисунок 5) и построены ЦМР территорий трех городов. Затем выполнено построение ортофотопланов (рисунок 6).

Из-за наличия густой травянистой растительности лазерные им- § пульсы не всегда отражаются непосредственно от поверхности земли. В ходе исследований созданы цифровые модели рельефа с использованием лазерных точек, принадлежащих поверхности земли с плотностью 4 точки/м2, лазерно-локационных точек класса «Земля», разреженных в два раза, и точек лазерных отражений, относящихся к классу «Низкая растительность». Точность всех трех ортофотопланов (таблица 4), построенных на основе полученных цифровых моделей рельефа, удовлетворяет допускам инструкции по фотограмметрическим работам при создании планов масштаба 1:1 000. Следовательно, каждый из них может использоваться как самостоятельный вид топографической продукции.

а) - на ЦМР; б) - в массиве ТЛО Рисунок 5 - Положение редактируемого участка модели поверхности земли

Рисунок 6 - Фрагмент

ортофотоплан на территорию г. Омска

Таблица 4 - Точность создания ортофотопланов

ТЛО для построения ЦМР Параметры точности ортофотопланов

По контрольным точкам По линиям «порезов»

М ты, м Д^-тах, М

Все ТЛО класса «Земля» 0,59 0,40 0,54

ТЛО класса «Земля», разреженные в два раза 0,79 0,57 0,66

ТЛО класса «Низкая растительность» 0,61 0,41 0,63

На следующем этапе в автоматическом режиме к низкой растительности отнесены лазерно-локационные точки, находящиеся на высоте от 0 до 0,5 м, к кустарниковой - от 0,5 до 2,0 м, к древесной - от 2 до 100 м. Из лазерных точек, принадлежащих высокой растительности, выделены точки лазерных отражений, принадлежащие зданиям. В результате исследований выявлены оптимальные параметры автоматической классификации лазерно-локационных точек класса «Здания». Точки лазерных отражений, принадлежащие другим объектам ситуации, выделены из трех имеющихся классов растительности в интерактивном режиме. В зависимости от плотности исходных массивов лазерно-локационных точек съемок трех городов в отдельные классы отнесены точки лазерных отражений от ограждений, электрических фонарей, линий электропередач, парковых скамеек.

В результате выполненных экспериментальных работ определены оптимальные параметры моделирования зданий по данным воздушного лазерного сканирования и установлено, что для построения моделей территорий больших городов обработку материалов лазерно-локационной съемки можно выполнять в автоматическом режиме; моделирование в полуавтоматическом режиме рекомендуется применять при создании моделей на небольшие территории, где требуется повышенная детальность, например при построении моделей памятников архитектуры, а также объектов, имеющих стратегическое значение.

Результаты оценки точности построения трехмерных моделей рельефа и зданий представлены в таблице 5, из которой следует, что полученные модели соответствуют точности создания планов масштаба 1:1000 с высотой сечения рельефа 0,5 м.

Название территории Ошибки моделирования рельефа, м Ошибки моделирования зданий, м

Л^тах 6Z тдг ALmax 5L miL

Участок 1 0,122 0,067 0,085 0,576 0,222 0,231

Участок 2 0,126 0,025 0,036 0,596 0,199 0,208

Участок 3 0,082 0,046 0,056 0,571 0,244 0,252

Для нанесения текстур зданий применялись цифровые снимки, полученные фотоаппаратом Sony DSLR-A390 (4592x3056 пикселей). С использованием этих данных были текстурированы трехмерные модели зданий, деревьев, беседок, электрических фонарей и ограждений.

Таким образом, была создана трехмерная модель городской территории около Омского государственного аграрного университета (площадь около 60 тысяч квадратных метров). Фрагменты построенной реалистичной модели участка г. Омска приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Фрагмент трехмерной реалистичной сцены г. Омска

Для исследования разработанной методики выявления изменений на местности с использованием материалов лидарной съемки (см. рисунок 3) на основе данных воздушного лазерного сканирования территорий трех городов были смоделированы снос 3 зданий и вырубка 10 одиночных деревьев, отличающихся размерами и конфигурацией (рисунок 8). На основе разновременных данных воздушного лазерного сканирования построено по две модели поверхностей каждого участка съемки.

_________

а)

б)

; ' г ; ^л „ —......-..................

¡ВЩ^

а) — исходный массив лазерных точек; б) - массив ЛЛ точек после моделирования удаления дома Рисунок 8 - Результат моделирования сноса здания

Для установления факта произошедших изменений на местности выполнено вычитание цифровой модели поверхности, созданной на предыдущую дату, из цифровой модели поверхности, построенной на последующую дату, и автоматическое выделение планового положения объектов, претерпевших изменения, в виде контуров. Затем установлен вид изменений на местности, определен класс интересующих объектов (растительность, сооружение) и сделан правильный вывод о том, что эти объекты были снесены. Наличие цифровых снимков позволило упростить и ускорить процессы установления вида изменений, произошедших на местности. Из результатов исследования разработанной методики следует, что использование разновременных данных воздушного лазерного сканирования позволяет эффективно выявлять изменения объектов даже небольших размеров, определять количественные характеристики объектов (положение, высоту, площадь, объем), претерпевших изменения, а также устанавливать тип этих объектов. На локализованных участках трехмерной реалистичной сцены, построенной на первую эпоху, были удалены модели зданий и деревьев в соответствии с методикой, представленной на рисунке 3.

Результаты выполненных экспериментальных исследований показали возможность эффективного использования данных воздушного лазерного сканирования и цифровых снимков для создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, проведенных в рамках диссертации, следующие:

- усовершенствована методика создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий на основе данных воздушного лазерного сканирования и цифровых снимков, отличающаяся тем, что предложен новый подход к выбору оптимальных параметров автоматической классификации лазерно-локационных точек, фильтрации грубых ошибок автоматического выделения лазерных точек и обновлению трехмерных моделей;

- определены оптимальные параметры автоматической классификации точек лазерных отражений от земной поверхности в зависимости от типа местности, что повышает скорость обработки лидарных данных и точность построения цифровой модели рельефа;

- разработана методика выявления изменений на местности на основе данных воздушного лазерного сканирования, полученных на разные даты;

- разработана методика исключения грубых ошибок автоматического выделения точек лазерных отражений класса «Земля», позволяющая повысить точность и достоверность создания цифровой модели рельефа;

- даны практические рекомендации для решения вопроса о необходимости проведения процедуры уравнивания координат лазерно-локационных точек, полученных из соседних маршрутов съемки;

- проведены экспериментальные исследования разработанных методик на основе результатов лидарной съемки и цифровых снимков территорий трех городов;

- разработанные методики и рекомендации использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме: «Разработка технологии и методов создания реалистичных трехмерных моделей техногенных и природных объектов на основе комплексного использования данных дистанционного зондирования Земли». Номер государственной регистрации НИР: 5.5834.2011;

— разработанные методики использованы при построении высокоплотной цифровой модели рельефа, ортофотопланов и топопланов по данным воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки в соответствии с договором подряда от 19 сентября 2011 г. № 26/2 на выполнение работ по созданию цифровых топографических планов масштаба 1 :2 ООО на территории населенных пунктов Тюменской области. Также результаты исследований, полученные в рамках диссертации, внедрены в ООО «Лаборатория автоматизации геодезических и фотограмметрических работ» и учебный процесс кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования Сибирской государственной геодезической академии.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1 Айрапетян, В. С. Использование данных лазерного зондирования для создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий [Текст] / B.C. Айрапетян, Т. А. Широкова, А. В. Антипов // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология : сб. матер. VII Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2011.-С. 11-13.

2 Айрапетян, В. С. Расчет спектров поглощения некоторых органических веществ в инфракрасном диапазоне [Текст] / В. С. Айрапетян, Т. А. Широкова, А. В. Антипов//Геодезия и аэрофотосъемка. -2011. —№ 6.- С. 76-79.

3 Алтынцев, М. А. Уравнивание данных воздушного лазерного сканирования для создания поверхности дорожного полотна [Текст] / М. А. Алтынцев, А. В. Антипов // Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами: сб. материалов Междунар. конф. - Алматы, Республика Казахстан : Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева, 2012. - С. 24—31.

4 Антипов, А. В. Влияние плотности точек воздушного лазерного сканирования на точность создания цифровой модели рельефа местности [Текст] / А. В. Антипов // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. Ч. 1 : сб. матер. VI Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 19-29 апреля 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск : CITA, 2010. - С. 18-23.

5 Антипов, А. В. Калибровка данных воздушного лазерного сканирования в программном продукте TerraSolid [Текст] / А. В. Антипов // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: сб. матер. VII Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2011.-С. 7-10.

6 Широкова, Т. А. Методика создания ортофотопланов с применением данных воздушного лазерного сканирования [Текст] / Т. А. Широкова, А. В. Антипов // Вестник СГГА (Сибирской государственной геодезической академии): науч.-технич. журн. -2010. -№ 2(13). —С. 24-30.

7 Широкова, Т. А. Создание векторных моделей рельефа и зданий по данным воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки в ПП TerraSolid [Текст] / Т. А. Широкова, А. В. Антипов // Геодезия и аэрофотосъемка. -2011. -№ 2. - С. 92-95.

8 Широкова, Т. А. Определение изменений на местности с применением данных лидарной съемки [Текст] / Т. А. Широкова, А. В. Антипов, С. А. Арбузов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012: VIII Междунар. научн. конгресса, 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология»: сб. материалов в 2 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2012. -С. 38-45.

9 Antipov, A. A Methodology of Combined Processing of Digital Images and Lidar Data for Needs of Urban Planning and Territory Management [Text] /

A. Antipov, T. A. Shirokova // "Innovative technologies for an efficient geospatial management of earth resources", 04-09 sept. 2011, Ulaanbaatar. - PP. 161-170.

10 Antipov, A. Ground point classification using molding filter in TERRASOLID. International summer Student Seminar / A. Antipov, O. Martemyanova // Novosibirsk, SSGA, 3S - 2010. - PP. 18-22.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Антипов, Андрей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СУЩНОСТЬ, ДОСТОИНСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИДАРНЫХ СЪЕМОЧНЫХ СИСТЕМ.

1.1 Принцип работы лазерно-локационного комплекса.

1.2 Характеристики лидарных съемочных систем и их классификация

1.3 Методы измерения наклонной дальности в системах лазерной локации.

1.4 Параметры лидарной съемки и особенности лазерно-локационных данных.

1.5 Обзор GPS и IMU систем, применяемых при воздушном лазерном сканировании и аэрофотосъемке.

1.6 Аэрофотоаппараты, используемые при лазерно-локационной съемке.

1.7 Достоинства и недостатки лидарной съемки.

1.8 Области применения данных воздушного лазерного сканирования

1.9 Существующие методы классификации точек лазерных отражений

2 МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ И ОБНОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ РЕАЛИСТИЧНЫХ СЦЕН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ ПО ДАННЫМ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ.

2.1 Анализ существующей методики создания трехмерных моделей по данным лидарной съемки.

2.2 Усовершенствование методики построения и обновления трехмерных моделей местности на основе данных лидарной съемки.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДИКИ СОЗДАНИЯ И ОБНОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ РЕАЛИСТИЧНЫХ

СЦЕН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ.

3.1 Исходные данные и программное обеспечение для проведения экспериментальных исследований.

3.2. Исключение лазерно-локационных точек, не составляющих пространственный образ местности.

3.3 Экспериментальные исследования алгоритма автоматической классификации лазерных точек, принадлежащих земле.

3.4 Исследование процедуры уравнивания координат точек лазерных отражений и необходимости ее выполнения.

3.5 Экспериментальные исследования методики исключения грубых ошибок автоматического выделения лазерных точек класса «Земля».

3.6 Исследование точности ортотрансформирования с использованием цифровых моделей рельефа, построенных на основе различных классов лазерных точек.

3.7 Исследование алгоритма автоматической классификации лазернолокационных точек, принадлежащих зданиям.

3.8 Экспериментальные исследования точности моделирования объектов ситуации.

3.9 Оценка точности построения цифровой модели рельефа и трехмерных моделей зданий.

3.10 Подготовка текстур, текстурирование созданных трехмерных моделей городской территории.

3.11 Экспериментальные исследования методики обновления трехмерных реалистичных сцен с применением данных воздушного лазерного сканирования.

3.12 Исследование возможности использования дополнительных видов информации для придания городским моделям реалистичности

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Создание и обновление трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования"

Актуальность темы исследования. Современный город — это динамически развивающаяся система, постоянно включающая в свой состав новые объекты антропогенного и естественного происхождения. Для успешного развития городской инфраструктуры необходимо иметь актуальную информацию о состоянии городской территории, периодически обновлять соответствующие топографические карты и планы.

В последнее время стали широко использоваться трехмерные топографические модели местности, которые по сравнению с традиционным способом представления метрической информации обладают определенными преимуществами, в частности, наглядностью, возможностью получения пространственных координат любой точки модели и рассмотрения трехмерной модели (ЗБ модели) с различных ракурсов, что, несомненно, способствует более эффективному решению задач градоустройства. Воздушное лазерное сканирование (ВЛС), сопровождаемое цифровой съемкой, является наиболее эффективным методом сбора информации для построения ЗБ моделей городских территорий, поскольку обеспечивает получение лидарных данных с высокой плотностью, точностью и оперативностью.

Решению задач обработки данных лазерной локации посвящены работы как отечественных ученых: Журкина И. Г., Середовича В. А., Медведева Е. М., Данилина И. М., Мельникова С. Р., так и зарубежных: Аксельсон П., Кох Б., Вассельман Дж. и других.

Разработаны различные алгоритмы и программные продукты (ПП) для обработки данных лидарной съемки. Однако в применяемых в настоящее время методиках имеется ряд нерешенных вопросов, связанных с классификацией точек лазерных отражений, исключением грубых ошибок, выявлением изменений по разновременным данным воздушного лазерного сканирования и т. д.

В связи с этим совершенствование методики создания и обновления трехмерных реалистичных сцен с использованием материалов лазерно-локационной (ЛЛ) съемки и цифровых снимков, обеспечивающей повышение достоверности и оперативности обработки данных воздушного лазерного сканирования, является актуальным.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании методики совместного использования данных лазерно-локационной съемки и цифровых снимков для создания и обновления трехмерных моделей рельефа и объектов ситуации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- усовершенствовать методику построения и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования и цифровых съемок;

- определить оптимальные параметры классификации точек лазерных отражений от земли, на основе алгоритма молдинга;

- разработать методику исключения ошибок автоматической классификации лазерно-локациопных точек, отнесенных к земной поверхности;

- разработать методику выявления изменений на местности по данным разновременных лидариых съемок;

- провести экспериментальные исследования предложенных методик и сформулировать рекомендации по их практическому применению.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются трехмерные текстурированные сцены городских территорий, предметом -методика создания и обновления трехмерных текстурированных моделей рельефа и объектов ситуации.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследовангш.

Методологической и теоретической основой работы являются методы вычислительной математики, статистической обработки результатов измерений, подходы и методы обработки лидарных данных и цифровых снимков. В качестве программного обеспечения для обработки данных воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки использовались ПП TerraSolid, 3DS МАХ 8.

Информационная база исследования. При проведении экспериментальных работ в качестве исходных были использованы данные лазерно-локационных съемок трех участков городской местности, включающие: материалы воздушного лазерного сканирования, аэрофотоснимки, параметры цифровых камер, траектории полета носителя, информацию о времени срабатывания затворов, координаты контрольных точек, цифровые снимки зданий.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

- усовершенствованная методика построения и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий на основе данных BJIC и цифровых снимков;

- оптимальные параметры классификации точек лазерных отражений от земли с использованием метода молдинга;

- методика исключения грубых ошибок автоматической классификации лазерно-локациопных точек, принадлежащих земной поверхности;

- методика выявления изменений на местности с использованием данных воздушного лазерного сканирования.

Научная новизна результатов исследования заключается в усовершенствовании методики создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий на основе данных воздушного лазерного сканирования и цифровых снимков, которая отличается от традиционной тем, что предложен новый подход к выбору оптимальных параметров автоматической классификации точек лазерных отражений от земли с использованием метода молдинга, фильтрации грубых ошибок автоматического выделения лазерных точек и обновлению трехмерных текстурированных моделей.

Научная значимость работы заключается в разработке:

- методики отбраковки ошибок автоматической классификации точек лазерных отражений от земной поверхности;

- методики определения изменений, происходящих на местности, на основе материалов лазерно-локационной съемки.

Практическая значимость работы. В результате исследований усовершенствована методика создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования и цифровым снимкам, обеспечивающая повышение оперативности и надежности построения текстурированных ЗБ моделей для решения широкого круга инженерных задач. Разработана методика исключения грубых ошибок автоматической классификации точек лазерных отражений от земли, повышающая точность и достоверность создаваемой на их основе цифровой модели рельефа. Разработана методика определения изменений на местности, позволяющая оперативно выявлять динамику изменений, особенно объектов небольшого размера. Даны практические рекомендации о необходимости проведения процедуры уравнивания координат точек лазерных отражений.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим позициям:

- № 3 - «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

- № 5 - «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VI Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2010», 19-23 апреля 2010 г., г.Новосибирск; на Международном студенческом форуме «ГЕОМИР - ЗБ 2010», 21-25 сентября 2010 г., г. Новосибирск; XI Республиканской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых преподавателей: «Творчество молодых - инновационное развитие Казахстана», посвященной 20-летию Независимости Республики Казахстан; ВКГТУ им. Д. Серикбаева, 19-23 апреля 2011 г., г. Усть-Каменогорск; VII Международном научном конгрессе «ГЕС)-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011г., г.Новосибирск; Международной научной конференции «Innovative technologies for an efficient geospatial management of earth resources», 4-9 сентября 2011 г., г. Улан-Батор (Монголия); Международной научной конференция 3S-2011, 9-14 октября 2011 г., г. Ухань (КНР); VIII Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., г. Новосибирск.

Разработанные методики и рекомендации использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме: «Разработка технологии и методов создания реалистичных трехмерных моделей техногенных и природных объектов на основе комплексного использования данных дистанционного зондирования Земли». Номер государственной регистрации НИР: 5.5834.2011.

Разработанные методики и практические рекомендации внедрены в ООО «Лаборатория автоматизации геодезических и фотограмметрических работ» и были использованы при построении высокоплотной цифровой модели рельефа, ортофотопланов и топопланов по данным ВЛС и аэрофотосъемки в соответствии с договором подряда от 19 сентября 2011 г. № 26/2 на выполнение работ по созданию цифровых топографических планов масштаба 1 : 2 000 на территории населенных пунктов Тюменской области.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс СГГА и используются при изучении специальных дисциплин студентами специальностей «Аэрофотогеодезия» и «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», профиля «Аэрокосмические съемки, фотограмметрия» направления «Геодезия и дистанционное зондирование».

Публикации по теме диссертации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 10 научных работах, из них 2 статьи - в изданиях, входящих в Перечень рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 157 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 95 наименований. Работа содержит 19 таблиц, 41 рисунок, 7 приложений.