CC BY
289
ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ЗДАНИЙ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Тамара Антоновна Широкова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел. (913)922-76-06, e-mail: dept.asp@ssga.ru
Андрей Викторович Антипов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, научный сотрудник НИС, тел. (913)899-77-44, e-mail: brothersa@mail.ru
В статье представлены результаты исследования способов и параметров моделирования зданий городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования. Для выполнения экспериментальных работ использованы реальные данные лидарной съемки г. Омска. Приведены практические рекомендации по выбору способов и параметров построения трехмерных моделей зданий. Произведена оценка точности создания 3 D-моделей.
Ключевые слова: воздушное лазерное сканирование, точки лазерных отражений, трехмерная модель, точность.
URBAN BUILDING THREE-DIMENSION MODEL CONSTRACTION BASED ON LASER DATA
Tamara A. Shirokova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., PhD, assistant professor, department of photogrammetry and remote sensing, tel. (913)922-76-06, e-mail: asp@ssga.ru
Andrey V. Antipov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., research officer, SRD, tel. (913)899-77-44, e-mail: brothersa@mail. ru
The investigation results of urban buildings modeling methods and modeling parameters by means of lidar data are presented in the article. Experimental works carried out according to real lidar survey data of Omsk city. Practical recommendations for modeling method and automatically contracture parameter choosing and are given. 3-D models accuracy estimation is produced.
Key words: lidar survey, laser points, three-dimension model, accuracy.
На сегодняшний день существуют различные методы сбора пространственной информации о местности, такие как тахеометрическая съемка, аэрофотосъемка, наземное, мобильное и воздушное лазерное сканирование (ВЛС), радиолокационные, космические и другие виды съемок. Для получения метрической информации о местности больших по площади застроенных территорий с высокой точностью и оперативностью эффективным методом является лидар-ная съемка.
На современных топографических картах отображается плановое положение различных объектов ситуации, таких как автодороги, одиноко стоящие де-
ревья, ограждения и др. Объектами, несущими основную нагрузку на городском плане, являются здания. С использованием данных воздушного лазерного сканирования можно отобразить не только плановое положение строений, но и их пространственные (ЭБ) модели, которые позволят специалистам эффективнее решать задачи, связанные с благоустройством и планированием территорий.
Точность и оперативность построения трехмерных моделей зданий по материалам лидарной съемки зависят от качества исходных данных, корректного выбора алгоритмов построения моделей, параметров автоматической классификации лазерных точек и моделирования строений. В виду того, что здания имеют различный размер и форму, актуальными являются исследования способов и параметров моделирования строений по данным ВЛС.
Для построения ЭБ-моделей зданий по данным лидарной съемки застроенных территорий разработана методика, представленная на рис. 1.
Предварительная обработка данных воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки
______________________________ьг_______________________________
Исключение ошибочных лазерно-локационных точек, не составляющих пространственный образ местности
______________________________V________________________________
Автоматическое выделение лазерных точек, принадлежащих земле
____________________________________________________________
Уравнивание данных воздушного лазерного сканирования
_____________________________^______________________________
Выделение точек лазерных отражений, относящихся к зданиям
_____________________________ьг______________________________
Построение трехмерных моделей зданий
I
В полуавтоматическом режиме В автоматическом режиме
ІІ г
Оценка точности моделирования строений
Рис. 1. Методика моделирования зданий на основе лидарных данных
Экспериментальные исследования разработанной методики выполнены с использованием программного продукта (ПП) ТеггаБоШ, позволяющего обрабатывать данные ВЛС и моделировать объекты ситуации, и результатов лидар-ной съемки территории г. Омска (плотность 8 точек/м ), полученных сканером Ьеюа ДЬБ 50-11 с высоты полета 600 м. Для оценки точности построения моделей зданий использованы координаты контрольных точек, расположенных на
углах крыш строений, которые определены с помощью тахеометра Leica TCR 407 Power.
Сначала выполнена предварительная обработка материалов лидарной съемки, в результате чего получена единая точечная модель местности, и произведено исключение ошибочных ТЛО [1].
Затем с использованием ранее выявленных оптимальных параметров в класс «Земля» отнесены ТЛО от земной поверхности [2, 3, 4], и выполнено уравнивание координат лазерно-локационных (ЛЛ) точек [5, 6, 7].
На следующем этапе в автоматическом режиме в класс «Древесная растительность» отнесены ЛЛ точки, находящиеся на высоте от 2 до 100 м над землей. Затем на основе выявленных оптимальных параметров автоматической классификации лазерно-локационных точек класса «Здания» [2, 8, 9] из ТЛО от высокой растительности выделены лазерные точки, принадлежащие зданиям.
В связи с тем, что городская застройка характеризуется наличием строений различного размера и формы, выполнены исследования с целью определения оптимальных значений параметров автоматического моделирования зданий, к основным из которых относятся: «минимальный размер здания» (м2) и «минимальный размер деталей здания» (м ). Для этого при фиксированной величине одного параметра последовательно изменялся второй, затем при другом значении первого параметра аналогичным образом изменялась величина второго. Остальные значения параметров указаны в соответствии с рекомендациями, представленными в инструкции к ПП TerraSolid.
Данные в табл. 1 показывают, что параметр «минимальный размер деталей здания» влияет на точность автоматического моделирования строений средней этажности (до 5 этажей) следующим образом. Если он задан слишком малым (от 0,1 до 3 м ), то небольшие по размеру элементы строений (козырьки, выступы на крышах) не моделируются, поскольку алгоритм не может отнести их к плоскостям крыш строений. При этом строятся модели небольших объектов, не являющихся в действительности деталями архитектуры (птицы, ветви деревьев и др.).
Если «минимальный размер деталей зданий» задан слишком большим (от 20 до 60 м ), то модели деталей не строятся. Однако при моделировании зданий в форме буквы «П» увеличение этого параметра способствует улучшению качества построения моделей крупных элементов архитектуры.
Из экспериментов следует, что для автоматического моделирования строений значение параметра «минимальный размер деталей здания» надо задавать исходя из сложности архитектурных элементов. Для построения моделей зданий средней этажности простой конструкции размер деталей рекомендуется устанавливать равным 5 м2.
К достоинствам автоматического способа трехмерного моделирования зданий по данным ВЛС в ПП TerraSolid относятся:
- построение моделей всех зданий производится практически одновременно за достаточно короткое время;
- наличие инструмента для просмотра созданных моделей строений;
- возможность перестраивать созданные модели;
- созданные трехмерные модели зданий являются метрическими.
Таблица 1
Оценка точности автоматического моделирования зданий
Номер вариан- та Мини- маль- ный размер здания, 2 м Мини- мальный размер деталей здания, м2 Максимальное расхождение планового положения точек моделей строений АЪШах, м Средняя квадрати-чес-кая ошибка планового положения точек моделей зданий Шдь, м Максимальное расхождение высот точек моделей зданий ЛZmax, м Средняя квадрати-ческая ошибка высот точек моделей зданий Шдг, м
1 40 0,5 0,41 0,36 0,244 0,221
2 40 2,5 0,35 0,30 0,215 0,196
3 40 5,0 0,28 0,24 0,124 0,111
4 40 20,0 0,32 0,29 0,218 0,192
5 30 0,5 0,33 0,29 0,176 0,147
6 30 2,5 0,36 0,31 0,116 0,097
7 30 5,0 0,34 0,30 0,176 0,155
8 30 20,0 0,35 0,30 0,306 0,279
9 20 0,5 0,35 0,31 0,237 0,214
10 20 2,5 0,29 0,27 0,205 0,186
11 20 5,0 0,26 0,24 0,176 0,154
12 20 20,0 0,29 0,26 0,209 0,198
Основными недостатками автоматического способа трехмерного моделирования зданий по данным ВЛС в ПП ТеггаБоШ являются:
- недостаточно корректная работа алгоритма автоматического построения моделей зданий при наличии на территории строений различного размера и формы;
- в пределах всего участка моделирования используются одни и те же значения параметров для построения моделей всех зданий независимо от их формы и размера (без разграничения на крупные и мелкие строения).
На основе классифицированных точек строений выполнено моделирование зданий в полуавтоматическом режиме, преимуществом которого перед автоматическим способом является возможность интерактивной коррекции неверно построенных моделей плоскостей крыш, изменения их формы, добавления новых узлов и др.
Основными параметрами, которые оказывают влияние на точность создания трехмерных моделей строений по данным ВЛС в полуавтоматическом режиме, являются «минимальный размер здания» (м ) и «разность 7» (м) для отнесения отдельных плоскостей к одной плоскости крыши. В работе выполнено исследование точности моделирования зданий при различных значениях этих параметров, результаты которого представлены в табл. 2.
Анализ результатов эксперимента показал, что наиболее высокая точность построения моделей зданий средней этажности в полуавтоматическом режиме обеспечивается при параметрах моделирования:
- «минимальный размер здания» - 40 м ;
- «разность 7» - 0,2 м.
Таблица 2
Оценка точности полуавтоматического моделирования зданий
Номер вариан- та Мини- мальный размер здания, 2 м Разность Ъ для отнесения ТЛО к одной плоскости, м Максимальное расхождение планового положения точек моделей ДLmax, м Средняя квадратическая ошибка планового положения точек моделей Шдь, м Максимальное расхождение высот точек моделей ЛZmax, м Средняя квадратическая ошибка высот точек моделей тдъ, м
1 40 0,05 0,26 0,23 0,098 0,083
2 40 0,15 0,28 0,25 0,111 0,103
3 40 0,20 0,24 0,18 0,092 0,061
4 40 0,30 0,26 0,22 0,113 0,085
5 40 0,40 0,33 0,25 0,210 0,167
6 30 0,05 0,25 0,20 0,105 0,084
7 30 0,15 0,30 0,27 0,171 0,149
8 30 0,20 0,21 0,18 0,121 0,103
9 30 0,30 0,26 0,23 0,134 0,118
10 30 0,40 0,34 0,29 0,206 0,188
11 20 0,05 0,28 0,24 0,087 0,074
12 20 0,15 0,30 0,29 0,106 0,098
13 20 0,20 0,32 0,29 0,112 0,107
14 20 0,30 0,23 0,20 0,132 0,115
15 20 0,40 0,31 0,24 0,121 0,091
Достоинствами полуавтоматического способа трехмерного моделирования зданий по данным ВЛС в ПП ТеггаБоШ являются:
- высокая точность моделирования;
- возможность редактирования построенных моделей плоскостей крыш зданий;
- наличие удобных инструментов интерактивного редактирования моделей;
- возможность выбора текстуры для нанесения на модели строений из библиотеки стандартных текстур;
- возможность создания реалистичных метрических моделей зданий.
К недостаткам полуавтоматического режима трехмерного моделирования строений относятся:
- невозможность построения моделей всех зданий одновременно;
- большие временные затраты на редактирование моделей.
В результате исследований точности построения трехмерных моделей зданий автоматическим и полуавтоматическим способами можно сделать вывод,
что полуавтоматический способ моделирования целесообразно использовать при обработке данных лидарной съёмки небольших территорий либо на территорий с малой плотностью застройки, так как он требует больших трудовых затрат и большой концентрации внимания исполнителя. Построение трехмерных моделей зданий в автоматическом режиме эффективно применять для моделирования обширных застроенных территорий, однако точность созданных моделей строений таким способом на 25% ниже.
В процессе работ также исследована точность построения ЭБ-моделей зданий в автоматическом и полуавтоматическом режимах в зависимости от плотности массива ТЛО. Для этого плотность исходного массива лазерных точек последовательно разрежалась в 0, 2, ..., 10 и 100 раз, и по этим данным с использованием полученных оптимальных параметров выполнено моделирование строений. Результаты оценки точности построения моделей зданий представлены в табл. Э и 4.
Таблица 3
Точность автоматического моделирования зданий в зависимости от плотности
исходного массива ТЛО
Номер варианта Порядок разрежения п, раз АЪшах, м шдь м ДZmax, м mдz, м
1 0 0,28 0,24 0,124 0,111
2 2 0,68 0,46 0,163 0,112
3 3 0,63 0,42 0,187 0,139
4 4 0,68 0,46 0,192 0,134
5 5 0,51 0,37 0,201 0,143
6 6 0,61 0,48 0,184 0,154
7 7 0,57 0,39 0,169 0,149
8 8 0,58 0,42 0,221 0,179
9 9 0,84 0,44 0,213 0,153
10 10 0,93 0,57 0,289 0,172
11 100 4,83 2,73 2,021 1,653
Из табл. 3 видно, что точность автоматического построения моделей зданий на основе ТЛО любой плотности (за исключением варианта 11), соответствует требованиям создания карт и планов масштаба 1:2 000 [10].
В соответствии с инструкцией [10] точность полуавтоматического способа построения моделей зданий на основе ЛЛ точек, разреженных до 8 раз (что соответствует плотности ТЛО 1 точка/м2), удовлетворяет требованиям создания карт и планов масштаба 1:1 000, а разреженных в 9 и 10 раз - точности карт масштаба 1:2 000 (табл. 4).
Таблица 4
Влияние плотности ТЛО класса «Здания» на точность полуавтоматического
моделирования строений
Номер ва- Порядок разреже- АЪщах, м тДь, м Д2тах, м тдг, м
рианта ния п, раз
1 0 0,24 0,18 0,092 0,061
2 2 0,31 0,24 0,105 0,084
3 3 0,27 0,22 0,112 0,105
4 4 0,25 0,20 0,124 0,111
5 5 0,34 0,25 0,118 0,107
6 6 0,28 0,23 0,134 0,116
7 7 0,36 0,25 0,128 0,114
8 8 0,41 0,27 0,148 0,130
9 9 0,48 0,36 0,128 0,112
10 10 0,54 0,42 0,145 0,133
11 100 4,62 2,68 1,872 1,413
В процессе экспериментов выявлено, что с увеличением порядка разрежения ТЛО класса «Здания» модели строений постепенно утрачивают мелкие детали архитектуры. Это объясняется тем, что алгоритму недостаточно лазерно -локационных точек для создания плоскостей.
В результате проведенных исследований влияния различных факторов на точность моделирования зданий по данным лидарной съемки территории г. Омска (высота полета 600 м, плотность 8 точек/м ) можно сделать следующие выводы:
- точность построения моделей строений в первую очередь зависит от качества автоматической классификации ТЛО от зданий. Для повышения достоверности автоматического отнесения ЛЛ точек в класс «Здания» рекомендуется задавать параметр «минимальный размер здания» равным минимальной реальной площади строения на моделируемом участке, а «разность 7» устанавливать от 0,1 до 0,3 м [8, 9];
- при построении моделей зданий в автоматическом режиме параметр «минимальный размер деталей здания» следует задавать в зависимости от сложности архитектуры здания и реального размера деталей строений (от 5 до 10 м2);
- при моделировании строений в полуавтоматическом режиме оптимальными значениями параметров являются: «минимальный размер здания» - 40 м , «разность 7» - 0,2 м;
- точность моделирования зданий в полуавтоматическом режиме на 25% выше точности автоматического моделирования и соответствует требованиям создания карт и планов масштаба 1:1 000;
- скорость построения моделей в автоматическом режиме намного выше скорости полуавтоматического моделирования, что позволяет за короткий срок создавать большое количество каркасных метрических моделей строений городских территорий;
- разрежение ТЛО класса «Здания» с исходной плотностью 8 точек/м2 до 8 раз позволяет ускорить процесс моделирования зданий и обеспечивает точность автоматического построения моделей, соответствующую требованиям создания карт и планов масштаба 1:2 000, а полуавтоматического - масштаба 1:1 000.
1. Широкова Т.А., Антипов А.В., Арбузов С.А. Определение изменений на местности с применением данных лидарной съемки // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 38-45.
2. Айрапетян В.С., Широкова Т.А., Антипов А.В. Использование данных лазерного зондирования для создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий // ГЕО-Сибирь-2011. VII междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. - Т. 4. - С. 11-13.
3. Широкова Т.А., Антипов А.В. Методика создания ортофотопланов с применением данных воздушного лазерного сканирования // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2 (13). - С. 24-30.
4. Широкова Т.А., Антипов А.В. Методика создания планов крупного масштаба по данным аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования // Вестник СГГА. - 2012. -Вып. 3 (19). - С. 43-51.
5. Алтынцев М.А., Антипов А.В. Уравнивание данных воздушного лазерного сканирования для создания поверхности дорожного полотна // Междунар. конф. «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами» : сб. материалов. (Алматы, Республика Казахстан, 2012 г.). - Алматы: Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева, 2012. - С. 24 - 31.
6. Антипов А.В. Калибровка данных воздушного лазерного сканирования в программном продукте Terra Solid // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 4. - С. 7-10.
7. Широкова Т.А., Антипов А.В. Исследование параметров автоматической классификации точек лазерных отражений на основе построения триангуляционной поверхности для моделирования рельефа по данным лидарной съемки // Инженерные изыскания. - 2012. -№ 10. - С. 22-26.
8. Широкова Т. А., Антипов А.В. Создание векторных моделей рельефа и зданий по данным воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки в 1111 TerraSolid // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2011. - № 2. - С. 92-95.
9. Antipov A., Shirokova T. A. A Methodology of Combined Processing of Digital Images and Lidar Data for Needs of Urban Planning and Territory Management // «Innovative technologies for an efficient geospatial management of earth resources». (Ulaanbaatar, 04-09 sept. 2011). -Ulaanbaatar: 2011. - PP. 161-170.
10. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. - М.: ЦНИИГАиК, - 2002. - 100 с.
© Т.А. Широкова, А.В. Антипов, 2013
