Содержание к диссертации
Введение
1 Сущность, достоинства и области применения воздушного лазерного сканирования, классификация лидарных съемочных систем 11
1.1 Принцип работы лазерно-локационного комплекса 11
1.2 Характеристики лидарных съемочных систем и их классификация 14
1.3 Методы измерения наклонной дальности в системах лазерной локации 22
1.4 Параметры лидарной съемки и особенности лазерно-локационных данных 24
1.5 Обзор GPS и IMU систем, применяемых при воздушном лазерном сканировании и аэрофотосъемке 27
1.6 Аэрофотоаппараты, используемые при лазерно-локационной съемке 31
1.7 Достоинства и недостатки лидарной съемки 35
1.8 Области применения данных воздушного лазерного сканирования 37
1.9 Существующие методы классификации точек лазерных отражений 41
2 Методика создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования 48
2.1 Анализ существующей методики создания трехмерных моделей по данным лидарной съемки 48
2.2 Усовершенствование методики построения и обновления трехмерных моделей местности на основе данных лидарной съемки. 64
3 Экспериментальные исследования методики создания и обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий 76
3.1 Исходные данные и программное обеспечение для проведения экспериментальных исследований 76
3.2. Исключение лазерно-локационных точек, не составляющих пространственный образ местности 77
3.3 Экспериментальные исследования алгоритма автоматической классификации лазерных точек, принадлежащих земле 78
3.4 Исследование процедуры уравнивания координат точек лазерных отражений и необходимости ее выполнения 89
3.5 Экспериментальные исследования методики исключения грубых ошибок автоматического выделения лазерных точек класса «Земля» 93
3.6 Исследование точности ортотрансформирования с использованием цифровых моделей рельефа, построенных на основе различных классов лазерных точек 96
3.7 Исследование алгоритма автоматической классификации лазерно-локационных точек, принадлежащих зданиям 101
3.8 Экспериментальные исследования точности моделирования объектов ситуации 103
3.9 Оценка точности построения цифровой модели рельефа и трехмерных моделей зданий 113
3.10 Подготовка текстур, тексту рирование созданных трехмерных моделей городской территории 115
3.11 Экспериментальные исследования методики обновления трехмерных реалистичных сцен с применением данных воздушного лазерного сканирования 118
3.12 Исследование возможности использования дополнительных видов информации для придания городским моделям реалистичности 123
Заключение 125
Список использованных источников 127
Приложение А (обязательное) характеристики лидарных съемочных систем 138
- Обзор GPS и IMU систем, применяемых при воздушном лазерном сканировании и аэрофотосъемке
- Анализ существующей методики создания трехмерных моделей по данным лидарной съемки
- Экспериментальные исследования алгоритма автоматической классификации лазерных точек, принадлежащих земле
- Исследование возможности использования дополнительных видов информации для придания городским моделям реалистичности
Введение к работе
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 (3D 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 3D 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 качестве программного обеспечения для обработки данных воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки использовались ПП TerraSolid, 3DS MAX 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 ВЛС 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 3D 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 - 3S 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 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.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 012-2011.
Обзор GPS и IMU систем, применяемых при воздушном лазерном сканировании и аэрофотосъемке
На протяжении XX в. разработана теория, выполнены практические исследования использования гироскопов и акселерометров для решения задач, связанных с определением пространственного положения движущихся платформ, скорости и ускорения, а также пройденного пути. Решением этих задач занимается навигация [28, 60].
Большая Советская Энциклопедия трактует понятие «навигация» как «науку о способах выбора пути и методах вождения судов, летательных и космических аппаратов». IMU (Inertial Measurement Unit) переводится как «инерциальное измерительное устройство». С середины 1960-х гг. в отечественной технической литературе принят термин «инерциальная система». Кроме IMU, широко употребляется термин INS (Inertial Navigational System), который является синонимом «инерциальных систем» [28].
Новые типы гироскопов можно условно подразделить на шесть групп [46]: а) гироскопы с неконтактным подвесом твердотелого ротора; б) гироскопы с нетвердотелым носителем кинетического момента; в) гироскопы, момент количества движения которых связан не с вращением, а с колебанием тел; г) гироскопы, использующие гиромагнитные свойства микрочастиц (электронов, протонов, нейтронов), атомов и атомных ядер; д) гироскопы, основанные на измерении параметров электромагнитных колебаний, распространяющихся во вращающихся замкнутых резонансных и нерезонансных контурах. К этой группе относятся: кольцевые нерезонаисные гироскопы на основе использования электромагнитных колебаний различных диапазонов длин волн; кольцевые резонансные (лазерные) гироскопы, использующие оптические квантовые генераторы; е) струйно-поляризационные гироскопы, основанные на использовании инерционных свойств струй жидкости, газа и плоскости поляризации электромагнитных волн. В последние годы широкое применение нашли немеханические гироскопы, которые отличаются от механических большей точностью и надежностью за счет отсутствия движущихся частей. Представителями данного класса являются кольцевые лазерные и волоконно-оптические гироскопы, использующиеся в интегральных навигационных комплексах авиационного базирования.
Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия, они не поддаются радиоэлектронному подавлению.
Один из недостатков инерциальных систем заключается в необходимости настройки (выставления) не только по скорости и местоположению, но и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например горизонта). Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли. Этими векторами определяются оси опорной системы координат. Второй недостаток заключается в том, что в системах инерциальной навигации ошибки со временем накапливаются. «Геопозиционирование - процесс определения координат географических объектов по данным дистанционного зондирования» [15, 31]. На сегодняшний день действует уже второе поколение спутниковых систем позиционирования, к которым относятся: американская GPS (второе название NAVSTAR -Navigation Satellite Timing and Ranging) и российская ГЛОНАСС [15].
Системы GPS и ГЛОНАСС позволяют определять координаты точек независимо от погодных условий, времени измерений и положения ресивера. Точность определения координат зависит от типа и класса аппаратуры, а также от метода измерения псевдодалыюсти [15]. При геодезических измерениях с помощью GPS-приемников неизвестными являются пространственные координаты точки и поправка часов приемника [78].
Псевдодальность - это искаженная погрешностями дальность от объекта наблюдения до спутника, которая отличается от истинной дальности на величину, пропорциональную расхождению шкал времени на спутнике и в приемнике пользователя [15, 31, 62].
Сигналы, посылаемые со спутника в цифровой форме, предназначены для измерения расстояний и передачи навигационного сообщения (информация о состоянии спутника; поправка часов; бортовые эфемериды, позволяющие вычислить положение спутника в момент наблюдения; альманах -приближенные сведения обо всех спутниках системы). Далыюмерный код представляет собой псевдослучайную последовательность 0 и 1, формируемый на спутниках и приемниках [18].
По методу действия приемники можно разделить на следующие [15]: а) кодовые приемники определяют пространственное положение, обрабатывая информацию, содержащуюся в коде, который передается спутниками; б) фазовые приемники определяют пространственное положение путем обработки измерений фазы несущей сигналов спутников, наблюдаемых в течение некоторого времени. У них не нужно декодировать переданную информацию, за исключением данных о положениях спутников. Фазовым методом выполняются наиболее точные измерения, а кодовый метод используется для навигации и топографии, где не требуется высокая точность определения пространственных координат точек.
GPS-системы по количеству частот классифицируются на одночастотные {L}) и двухчастотные (Lj, Li) системы [22]. Наблюдения на двух частотах позволяют исключить ошибку влияния ионосферы. Одночастотные дают хорошую точность только при работе в дифференциальном режиме, на коротких расстояниях (примерно 10 км). Самыми надежными GPS-приемниками считаются фазовые двухчастотные.
GPS и IMU системы работают полностью независимо друг от друга, при этом выполняется решение одной и той же навигационной задачи. Интегральное навигационное решение получается в процессе совместной обработки двух типов данных. Основная идея этого процесса заключается в получении на выходе точности, превосходящей измерения этих приборов в отдельности за счет совмещения обоих видов данных [29].
Навигационные вычисления выполняются на основе данных, получаемых с помощью гироскопов и акселерометров, которые жестко связаны с корпусом носителя. Определяемые значения координат, скоростей и углов ориентации для сенсора IMU трансформируются в центр сканирующего зеркала локатора. Для корректного перехода необходимо знать параметры взаимного положения и ориентации центра сканирования и сенсора IMU. Работа GPS в дифференциальном режиме формирует навигационное решение в реальном времени. На практике реализация дифференциального GPS режима предполагает съемку с использованием одной или нескольких базовых GPS станций, по данным которых в процессе наземной постобработки выполняется дифференциальная коррекция траектории носителя, зарегистрированная ровером. Для определения траектории носителя используются как данные GPS после процедуры введения дифференциальных поправок, так и инерциальпые данные, поставляемые гироскопами и акселерометрами [30, 31].
Анализ существующей методики создания трехмерных моделей по данным лидарной съемки
На сегодняшний день для обработки данных воздушного лазерного сканирования и цифровых снимков используется множество программных продуктов, обладающих индивидуальным инструментарием и используемыми алгоритмами. Одним из наиболее известных в России и зарубежном является TerraSolid, который был использован для исследования существующих методик и их усовершенствования.
Обработка данных лидарпой съемки и цифровые снимки выполнена в профаммном продукте TerraSolid, поскольку он обладает всеми необходимыми возможностями для обработки данных лазерно-локациошюй съемки и имеет возможность создания, ортофотопланов, трехмерных моделей зданий, топофафических планов и другой продукции. Редактирование текстур зданий и строений выполнялось с использованием программного продукта Adobe Photoshop, для наглядной визуализации рельефа и объектов ситуации - ПП 3DS МАХ.
Усовершенствованная методика создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий с использованием ПП TerraSolid представлена на рисунке 8. В процессе работы были исследованы различные варианты выполнения процессов и параметров для их реализации существующих методик в профаммном продукте TerraSolid, проведено их усовершенствование. На основании анализа результатов предложен наиболее эффективный вариант выполнения каждого этапа построения моделей рельефа и зданий, а также их текстурирования и обновления с использованием данных воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки. При выполнении предварительной обработки создается рабочее пространство для выполнения всех операций по обработке ТЛО и цифровых снимков. Для создания трехмерных моделей подходят два файла-прототипа map_seed3d.dgn и project_seed3d.dgn. Для целей моделирования рельефа и зданий предлагается использовать первый из них. Далее создаются классы, в которые в дальнейшем будут распределены ТЛО. Для разделения точек на классы используется 4 характеристики: код, название, уровень и цвет отображения. Все эти данные будут представлены в виде таблиц, которые можно редактировать, изменяя код и уровень класса, название, цвет отображения и диаметр точек. Кроме того, заранее создаются рабочие слои с названиями, отображающими тип хранящейся в них информации. Для преобразований системы координат устанавливается вид необходимой проекции и требуемые номера зон. Затем задаются геометрические границы блоков, на которые будет разбит исходный массив точек. Размер блоков выбирается в зависимости от ресурсов персонального компьютера, на котором выполняется обработка результатов ВЛС или требований заказчика. Блоки должны располагаться таким образом, чтобы они полностью покрывали весь массив точек лазерных отражений. В проект добавляются все ранее созданные геометрические границы блоков и загружаются точки в соответствии с принадлежностью к блокам. Затем соотносятся точки лазерных отражений и маршруты, которым они принадлежат. Для этого исходная траектория полета разбивается на части, число которых будет равно числу маршрутов съемки. В общем случае, нумерация и цвет участков траекторий не совпадают с нумерацией маршрутов, в соответствии с которыми окрашены точки лазерных отражений. Для устранения этого несоответствия создается макрокоманда, которая в правильном порядке рассчитает нумерацию маршрутов съемки. В результате предварительной обработки будет получена единая точечная модель, разбитая на блоки и ориентированная во внешней системе координат [63, 65]. Данные воздушного лазерного сканирования характеризуются наличием ошибочных измерений. Их исключение является одной из важных задач. В программном продукте TerraSolid для этих целей используются специальные макрокоманды, которые требуют выбора параметров выделения интересующих лазерных точек. Достоинством массива лазерно-локационных точек является его природная трехмерность, которую можно использовать в качестве узлов создаваемой цифровой модели поверхности (ЦМП). Избыточная информативность массива точек лазерных отражений заключается в получении нескольких отражений от единичного импульса. В результате кроме верхушек крон деревьев будут получены отражения от части веток, а также поверхности земли (рисунок 9).
При построении поверхности используется алгоритм, позволяющий создавать ЦМП по точкам с максимальной высотой в узлах решетки заданного в плане размера [64]. В результате выполнения данной операции будет получена цифровая модель поверхности, с высокой точностью отражающая высоты рельефа и объектов ситуации на местности. Плотность узлов создаваемой цифровой модели поверхности равна среднему расстоянию между лазерными точками.
На точность и оперативность построения цифровой модели рельефа по данным воздушного лазерного сканирования влияет качество автоматической классификации лазерно-локационных точек, принадлежащих земле. В связи с различным характером местности для получения достоверных результатов при автоматической классификации точек лазерных отражений от земли возникает необходимость определения оптимальных параметров классификации. Для выделения лазерно-локационных точек, принадлежащих земной поверхности, реализован метод молдинга.
Повышение эффективности интерактивной классификации точек воздушного лазерного сканирования можно обеспечить за счет использования ортофотоплана. Для ортотрансформирования снимков создается специальный проект, в который вносятся информация о цифровой камере, используемой при съемке, указывается путь к папке с цифровыми снимками, подгружается траектория движения носителя. Затем автоматически рассчитываются позиции центров фотографирования. С использованием полученной цифровой модели рельефа будет получен ортофотоплан [63], точность которого позволяет выполнить интерактивную классификацию точек лазерных отражений.
Экспериментальные исследования алгоритма автоматической классификации лазерных точек, принадлежащих земле
Флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание) - случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц [56].
Для повышения качества конечной продукции следует исключить ошибки за курс, тангаж, крен, разномасштабность и флуктуации аппаратуры [5, 8]. Для вычисления всех этих ошибок необходимо использовать координаты точек, находящихся в перекрытиях соседних маршрутов. Для этих точек вычисляются исходные значения невязок в их координатах, а также невязки после учета курса, тангажа, крена, разномасштабиости и флуктуации аппаратуры. С учетом вычисленных невязок автоматически уточняются координаты лазерно-локационных точек. Для выполнения коррекции координат всех точек, содержащихся в проекте, в них последовательно вводятся поправки за влияние каждого отдельного фактора.
После выполненной коррекции высот точек лазерных точек следует исключить перекрывающиеся области соседних маршрутов. Необходимость в этом вызвана тем, что точность выполнения воздушного лазерного сканирования и, соответственно, точность определения координат лазерных точек на краях маршрутов снижается. В результате выполнения данной операции в дальнейшей работе будут использоваться только точки, находящиеся между средними линиями перекрытий соседних маршрутов, и, следовательно, имеющие меньшие погрешности в координатах.
В результате выполнения уравнивания координат точек будет получена единая точечная модель, которую в дальнейшем можно разделять на классы, а также производить на ее основе моделирование рельефа и объектов ситуации. Разработка методики исключения грубых ошибок автоматической классификации лазерно-локационных точек класса «Земля».
В данной работе предложена методика исключения ошибок автоматического выделения точек лазерных отражений от земной поверхности и выполнены ее экспериментальные исследования в 3.5. Основная идея предлагаемой методики заключается в следующем [65]. На основе результатов автоматического отнесения лазерио-локационных точек к классу «Земля» строится редактируемая цифровая модель рельефа и в соответствии с высотами отображается с помощью многоцветной шкалы с изменением цвета, светлоты и насыщенности. Для исключения лазерных точек, ошибочно отнесенных в класс «Земля», необходимо в первом рабочем окне, содержащем созданную ЦМР, в местах резкого перепада насыщенности цвета указывать интересующий участок местности, и задать область сечения его вертикальными плоскостями. Во втором рабочем окне нужно отобразить лазерно-локационные точки, принадлежащие этой области. На основе визуальной оценки пространственного положения отдельных лазерных точек относительно общего массива точек лазерных отражений требуется произвести редактирование цифровой модели поверхности земли в интерактивном режиме. В исключительных случаях, когда в результате совместного анализа редактируемой ЦМР и массива лазерных точек не представляется возможным сделать окончательный вывод о наличии ТЛО, ошибочно принятых за точки класса «Земля», дополнительно нужно использовать ортофотоплан. После исключения лазерных точек, не принадлежащих земной поверхности, выполняется окончательное построение цифровой модели рельефа. Использование предложенного подхода дает хорошие результаты редактирования ЦМР, поскольку он основан на двух правилах: непрерывность и гладкость поверхности земли. При возникновении неоднозначности в определении класса лазерных точек нужно использовать ортофотоплан.
Созданный ортофотоплан и цифровая модель рельефа позволяют повысить надежность, качество и наглядность интерактивной классификации точек воздушного лазерного сканирования.
Интерактивная классификация точек лазерных отражений - это кропотливый процесс, который требует больших временных затрат и значительной концентрации внимания. Поэтому необходимо тщательно подбирать параметры автоматической классификации, что позволит сэкономить время, затрачиваемое на редактирование работы классификатора. Тем не менее, интерактивный метод классификации является самым точным и надежным.
При создании ортофотопланов обычно используют цифровую модель рельефа, полученную различными способами. Встречаются случаи, когда при проведении воздушного лазерного сканирования не представляется возможным получение лазерных отражения от земли в виду густой травянистой растительности. В связи с этим в 3.6 были выполнены исследования возможности построения ортофотоплана с использованием цифровой модели рельефа, созданной на основе лазерных точек, принадлежащих травянистой растительности.
Из точек, принадлежащих высокой растительности, выделяются точки лазерных отражений класса «Здания». Для повышения качества выполнения данного процесса в 3.7 выполнены исследования и разработаны рекомендации по выбору параметров автоматической классификации - минимального размера стороны здания и его деталей [65, 70]. В качестве параметров классификации задаются: минимальный размер строения (выбирается в зависимости от площади зданий, которые необходимо распознать и создать в дальнейшем их трехмерные модели) и минимальный размер деталей (характеризует минимально распознаваемые элементы здания, такие, как: выступы конструкций, пристройки к домам, козырьки и навесы). Минимальный размер деталей не следует задавать слишком маленьким, так как может возникнуть ошибочная классификация. После того, как будут заданы параметры макроса, выполняется автоматическая классификация точек лазерных отражений с целью выделения класса «Здания».
Основой для создания трехмерных моделей зданий являются лазерно-локационные точки, принадлежащие одноименному классу. Для повышения качества построения моделей в ходе экспериментальных работ (3.8) проведены исследования по определению оптимальных параметров моделирования зданий, которые направлены на сокращение времени построения трехмерных моделей зданий и повышения точности их создания.
Исследование возможности использования дополнительных видов информации для придания городским моделям реалистичности
Новые модели воздушных лазерных сканеров позволяют получать массив лазерных точек с плотностью не менее 1 точки на м , которой достаточно для установления факта изменений на местности в пределах площади не менее 1 м . Достоверность определения количественных характеристик объектов 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 м".
Использование разновременных лидарных данных, полученных с высокой точностью, плотностью и оперативностью, позволяет эффективно выявлять изменения, произошедшие на территории, вычислять количественные характеристики этих изменений (положение, высоту, площадь, объем), а также определять класс объектов. Достоинствами предложенной методики являются [64]: - возможность использования детальной точечной модели, обладающей «природной» трехмерностью; - 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 увеличить достоверность определения качественных характеристик объектов, изменение которых выявлено по данным воздушного лазерного сканирования. Таким образом, использование данных лазерно-локационной съемки является одним из наиболее перспективных методов для решения задач, связанных с выявлением изменений, произошедших па местности. После того как были определены объекты, претерпевшие изменения, и локализована их позиция (при помощи контуров), выполнено исключение их трехмерных аналогов из общей модели. В результате редактирования трехмерной реалистичной сцены городской территории будет поддерживаться актуальность и достоверность отображаемой информации на местности. Предложенная методика обновления трехмерных реалистичных сцен городских территорий позволит: сэкономить время моделирования участков территорий, поскольку будут строиться и заменяться только локальные участки местности, а не вся городская территория; обнаружить изменения объектов даже малых размеров.
На основе разработанных методик [63, 65] построены трехмерные текстурированные модели объектов ситуации и рельефа трех территорий г. Омска, Иволгинского полигона и г. Ниагара-Фоле и с точностью, соответствующей требованиям создания плана масштаба 1 : 1 000 с высотой сечения рельефа 0,5 м. Фрагменты созданных моделей представлены на рисунке 41.
Для определения концентраций атмосферных газов создан и испытан автоматизированный дифференциальный лазерный комплекс на основе параметрического генератора света, перестраиваемого в ближней и средней инфракрасной области спектра [89, 90].
К числу наиболее известных органических веществ, отрицательно влияющих на здоровье человека, относятся молекулы аллена и ацетилена, которые характеризуются своей неустойчивостью. Они взрываются при нагревании до температуры примерно равной 500 С, либо при повышении давления до 2 атмосфер. На основе характеристик разработанного автоматизированного дифференциального параметрического лазерного комплекса, работающего в ИК области спектра [89, 90], и базы данных HITRAN [91] был выполнен расчет спектроскопических параметров молекул аллена и ацителена, который показал возможность детектирования этих органических соединений с концентрацией на уровне нескольких единиц ррт.
Обнаружение газовых загрязняющих веществ не является единственной сферой применения разработанного автоматизированного лазерного комплекса. Он может быть использован в качестве одного из оптических косвенных методов поиска взрывчатых или опасных соединений, поскольку они выделяют в атмосферу пары определенных молекул. Следовательно, данный лидарный комплекс можно применять для обнаружения взрывчатых веществ при проектировании и строительстве новых жилых массивов на бывших территориях дислокации военных частей, в районах боевых действий, местах массовых сражений прошедших лет и для предотвращения терактов.
Таким образом, текстурированные трехмерные модели ситуации и рельефа совместно с информацией об экологическом состоянии территорий позволяют создавать полную реальную картину окружающей среды [3, 4]. С помощью этой информации человек будет не только видеть положение объектов друг относительно друга, но и знать, насколько экологическая обстановка соответствует его безопасному проживанию. Имея в наличии цифровую модель рельефа, трехмерные модели объектов ситуации и информацию о направлении движения воздушных масс, можно смоделировать и спрогнозировать распространение вредных веществ по территории мегаполиса для принятия управленческих решений по проектированию и строительству различного рода сооружений, а также по совершенствованию фильтрационного оборудования на предприятиях.
