CC BY
155
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ НА МЕСТНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАННЫХ ЛИДАРНОЙ СЪЕМКИ
Тамара Антоновна Широкова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, профессор кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел.(913) 922-76-06
Андрей Викторович Антипов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел.(913) 899-77-44, e-mail: [email protected]
Станислав Андреевич Арбузов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, инженер кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел.(923) 188-42-49, e-mail: [email protected]
В статье представлена методика определения изменений, произошедших на местности, с использованием данных воздушного лазерного сканирования. Выполнены экспериментальные исследования предложенной методики и приведены их результаты.
Ключевые слова: точки лазерных отражений, цифровая модель поверхности
территории, выявление изменений.
AREA CHANGE DETECTION USING LASER SCANNING DATA
Tamara A. Shirokova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a professor, department of photogrammetry and remote sensing SSGA, tel. (913)922-76-06
Andrei V. Antipov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a postgraduate student, department of photogrammetry and remote sensing SSGA, tel.(913)899-77-44, e-mail: [email protected]
Stanislav A. Arbuzov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia , Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a engineer, department of photogrammetry and remote sensing SSGA, tel.(923)188-42-49, e-mail: [email protected]
Method change detection using airborne laser scan data is presented in the article. Experimental investigations of the method are fulfilled and the results set out.
Key words: points laser reflection, digital surface model, change detection.
Современный город это динамически развивающаяся система. На его территории постоянно строятся новые дома, заводы и другие объекты, сносятся старые постройки, изменяется количество зеленых насаждений и т. д.
Среди многих задач, связанных с управлением территориями, можно выделить обновление генерального плана, мониторинг застройки и зеленых насаждений. Для их решения необходимо использовать методы и алгоритмы, позволяющие оперативно и достоверно выявить изменения, происходящие на местности.
В настоящее время для определения изменений на местности используются алгоритмы, в основе которых лежит анализ спектральных яркостей объектов на разновременных изображениях [1,2]. На достоверность результатов, полученных с помощью таких алгоритмов, влияет изменение отражательных свойств объектов в зависимости от влажности, освещенности, модели сенсора, а также от особенностей эксплуатации антропогенных объектов. Этих недостатков лишена методика выявления изменений на основе цифровых моделей поверхностей (ЦМП) территории.
Сущность предлагаемой методики определения изменений на местности заключается в следующем. На разные даты строятся две цифровые модели поверхностей одной и той же территории. Изменения определяются как разности высот (А7) соответственных точек моделей. В данном случае соответственными будут являться точки разновременных моделей поверхностей, имеющие одинаковые плановые координаты X и Y.
Цифровые модели поверхностей можно создать по данным наземного и воздушного лазерного сканирования, аэрофото и космической съемок. Первый способ является дорогостоящим и требует больших временных затрат, если речь идет о мониторинге больших территорий. Использование материалов аэрофотосъемки связано с необходимостью выполнения трудоёмкого процесса фототриангуляции. Кроме того, для построения ЦМП по аэрофотоснимкам, как и космическим снимкам, требуется определение координат большого числа пикетов, принадлежащих земной поверхности и объектам ситуации.
Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) является наиболее перспективным методом сбора пространственной информации для создания цифровых моделей поверхности больших территорий, поскольку лидары обеспечивают получение лазерно-локационных данных с плотностью около
л
25 точек / ми точностью определения высот порядка 10 см [3], что является ключевым фактором для признания этого метода наиболее эффективным для построения ЦМП с высокой детальностью, точностью и оперативностью. Главной особенностью лидарных данных является то, что они представляют собой трехмерное точечное изображение местности (рис. 1), поэтому точки лазерных отражений (ТЛО) могут быть использованы в качестве узлов создаваемой цифровой модели поверхности.
Для выявления изменений территории с использованием данных воздушного лазерного сканирования разработана методика, основные этапы которой представлены на рис. 2.
Рис. 1. Точечная модель, полученная в результате лидарной съемки
При определении изменений на местности на основе разностной ЦМП, построенной по материалам повторных лазерно-локационных съемок, следует анализировать расхождения ДЪ соответственных точек объектов, превышающие двойные ошибки определения высот лазерных точек, так как только они однозначно несут в себе полезную информацию.
Рис. 2. Методика выявления изменений на основе данных лидарной съемки
Данные лидарной съемки, полученные на разные даты, могут отличаться плотностью точек и точностью определения их координат (рис. 3), поэтому узлы создаваемых разновременных ЦМП не будут совпадать. Высоты соответственных точек двух поверхностей могут быть определены на основе интерполирующих или аппроксимирующих функций, реализованных в большинстве современных программных продуктов для обработки данных воздушного лазерного сканирования.
Также для выявления изменений можно использовать цифровые модели поверхностей территории, построенные на разные даты, в виде матриц высот, что в значительной мере упрощает процесс получения и анализа разностной ЦМП.
лазерными точками разновременных ЦМП
# - точки лазерных отражений на последующую дату □ - лазерные точки на предыдущую дату
— - реально существующая ЦМП
Рис. 3. Особенности разновременных лидарных данных
Для проведения экспериментальных исследований предложенной методики использовались данные воздушного лазерного сканирования территорий г. Омска и г. Ниагара-Фолс. Площадь участков каждого объекта съемки, на которых выявлялись изменения, составляла 1 км . Для обработки данных лидарной съемки использовался программный продукт TerraSolid.
Поскольку данные воздушного лазерного сканирования исследуемых территорий городов на разные даты отсутствовали, для каждого участка съемки были смоделированы: снос 3 зданий и вырубки 10 одиночных деревьев, отличающихся размерами и конфигурацией. Для этого из массива точек лазерных отражений исключены точки, принадлежащие отдельно стоящим деревьям и зданиям (рис. 4).
Рис. 4. Результат моделирования сноса здания:
а) исходный массив лазерных точек; Ь) массив лазерно-локационных точек после
моделирования удаления дома
Для определения изменений на местности на этапе предварительной обработки разновременных данных ВЛС исключались грубые ошибки измерений. В процессе этой операции из массивов ТЛО были удалены лазерные точки, находящиеся значительно выше и значительно ниже территории съемки (рис. 5). Затем исключены отдельные точки, отстоящие от объектов ситуации и земной поверхности на расстоянии более 1 м (данные точки образуются в результате переотражения зондирующего сигнала) и точки, принадлежащие «временным» объектам (машинам, пешеходам и др.).
Рис. 5. Массив лазерных точек с наличием ошибочных измерений
На втором этапе на основе ТЛО были построены по две модели поверхностей каждого участка съемки, отражающие ситуацию на разные даты (рис. 6), и сохранены в виде растра в формате GEOTIFF (Gray Scale).
а) Ь)
Рис. 6. Цифровые модели поверхностей территории, построенные: а) по исходному массиву лазерных точек; Ь) по массиву лазерных точек после
моделирования сноса здания
Для установления факта наличия изменений на местности на следующем этапе разработанной методики производилось вычитание ЦМП, созданной на предыдущую дату, из ЦМП, построенной на последующую дату, и
автоматическое выделение планового положения объектов, претерпевших изменения, в виде контуров. Затем выполнялся анализ полученных разностей высот (ДZ) соответственных точек с целью определения вида изменений (исчезновение объекта, появление нового или изменение высоты существующего). Если разность высот будет больше нуля, это свидетельствует
о появлении нового объекта, если Д7 меньше нуля, значит существовавший ранее объект был удален. При мониторинге территорий могут встречаться случаи бурного роста растительности или надстройки дополнительного этажа строения. В данной ситуации разность высот соответственных точек полученных разновременных моделей поверхностей будет положительна, однако это не означает появление нового объекта, а указывает на изменение (увеличение высоты) имеющегося на предыдущую дату. Если лидарная съемка выполнялась при наличии сильного ветра, то величины Д7, вычисленные по разновременным данным ВЛС, из-за наклона деревьев могут быть как больше нуля, так и меньше нуля. Для разрешения сложившихся неопределенностей в выявлении изменений на местности осуществляется переход к следующему этапу методики.
На последнем этапе с помощью выделенных контуров, разностей высот соответственных точек и разновременных точечных моделей устанавливался вид изменений на местности и определялся класс интересующих объектов (растительность, сооружение и др.). Для этого контуры подгружались к данным воздушного лазерного сканирования, полученным на различные даты, и в пределах отмеченных областей выполнялось сечение массива лазерных точек вертикальными плоскостями. Затем производился визуальный анализ разновременных данных, на основе которого установлено, что объекты (здания и деревья), претерпевшие изменения, были снесены.
В настоящее время зачастую одновременно с воздушным лазерным сканированием производится аэрофотосъемка. Наличие цифровых снимков и возможность их совместной обработки с лидарными данными в 1111 Теп^оМ позволит упростить и ускорить процессы установления вида изменений, произошедших на местности, и определения класса объектов, претерпевших изменения.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований, выполненных на основе данных ВЛС, были выявлены все изменения на местности (удаленные объекты), что свидетельствует о работоспособности разработанной методики. Кроме того, установлен тип этих объектов и определены площадь строений, высота зданий и растительности, а также диаметр крон деревьев на средней высоте ствола (таблица).
Новые модели воздушных лазерных сканеров позволяют получать массив лазерных точек с плотностью не менее 1 точки на м2, которой достаточно для установления факта наличия изменений на местности в пределах площади не менее 1 м2. Достоверность определения количественных характеристик объектов, претерпевших изменения, зависит от плотности точек лазерных отражений, которая, как показывает практический опыт обработки лидарных
данных, должна составлять не менее 5 лазерно-локационных точек в пределах
1 м2.
Таблица. Характеристики объектов, претерпевших изменения
Характеристики объектов г. Омск г. Ниагара-Фолс
Здания (высота, м / площадь, м ) 17,42 / 848,45 5,91 / 311,54
17,65 / 1290,37 5,05 / 119,91
13,00 / 1323,65 4,67 / 126,72
Деревья (высота, м / диаметр кроны, м) 17,91 / 5,15 26, 75 / 15,08
14,55 / 6,14 16,06 / 7,11
8,64 / 3,72 19,80 / 15,19
14,52 / 3,67 9,44 / 3,24
16,83 / 5,99 18,42 / 12,25
15,94 / 6,36 17,98 / 13,14
6,92 / 3,71 10,69 / 8,98
11,86 / 6,80 9,21 / 8,65
18,17 / 4,04 15,46 / 7,10
14,22 / 5,28 9,51 / 4,84
Оценка точности определения площадей зданий на территории г. Омска выполнена по координатам 12 контрольных точек, полученным из полевых геодезических работ. Средняя ошибка не превышает 3% от площади строений.
Таким образом, использование разновременных лидарных данных, полученных с высокой точностью, плотностью и оперативностью, позволяет эффективно выявлять изменения, произошедшие на территории, определять количественные характеристики объектов, претерпевших изменения (положение, высоту, площадь, объем), а также устанавливать тип этих объектов.
Достоинствами предложенной методики являются:
- Использование детальной трёхмерной точечной модели;
- Отсутствие трудоемких камеральных процессов благодаря высокой степени автоматизации выполнения всех этапов обработки данных воздушного лазерного сканирования в одном программном продукте;
- Возможность определения количественных характеристик объектов, претерпевших изменения, в том числе динамики роста зеленых насаждений при их мониторинге;
- Использование цифровых снимков, получаемых при лидарной съемке, позволит повысить достоверность и производительность определения качественных характеристик объектов, изменение которых выявлено по данным воздушного лазерного сканирования.
Таким образом, использование разновременных цифровых моделей поверхностей территорий, созданных по данным лазерно-локационной съемки, является одним из наиболее перспективных методов решения задач оперативного мониторинга, связанных с выявлением изменений, произошедших на местности.
1. P. Coppin, I. Jonckheere, K. Nackaerts, B. Muys Digital change detection methods in ecosystem monitoring: a review / P. Coppin, I. Jonckheere, K. Nackaerts, B. Muys // Int. J. Remote Sensing. - 2004. - Vol. 25. - № 9. - PP. 1565-1596.
2. D. Lu, P. Mausel, E. Brondi'Zio, E. Moran Change detection techniques / D. Lu, P. Mausel, E. Brondi'Zio, E. Moran // Int. J. Remote Sensing. - 2003. - Vol. 25. - №12. - PP. 23652407.
3. Airborne LIDAR [Электронный ресурс] / Официальный сайт компании Leica Geosystems - Режим доступа:http://www.leica-geosystems.com/en/Airbome-LIDAR_86814.htm Загл. с экрана.
© Т.А. Широкова, А.В. Антипов, С.А. Арбузов, 2Q12
