Создание и обновление трехмерных реалистичных сцен городских территорий по данным воздушного лазерного сканирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.34, кандидат технических наук Антипов, Андрей Викторович

• Антипов, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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.