Построение трехмерной цифровой модели рельефа городской территории по материалам воздушного лазерного сканирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

Горева А.Э.

Нижегородский государственный

архитектурно-строительный университет (ННГАСУ)

Нижний Новгород, Россия

Высокая скорость проведения измерений и эффективность съемки застроенных площадей, таких как городские территории - основные преимущества использования воздушного лазерного сканирования по сравнению с другими видами измерений. Полученный в результате 3D массив точек высокой плотности и точности фактически является цифровой моделью рельефа, которая может быть основой для ортофотопланов, цифровых топографических планов масштабов 1:500 и мельче, трехмерных моделей рельефа и объектов местности. Оперирование трехмерными геопространственными данными является необходимым во многих областях: геологии, архитектуры, градостроительства и т.д. [1].

В настоящее время наиболее перспективным направлением исследований в сфере управления городскими территориями является трехмерное моделирование объектов. Потребность в реалистичном отображении окружающего мира увеличивает значимость трёхмерного (3D) моделирования, которое способно изменить технологию и практику управления городом. Трехмерная модель населенного пункта является системой целого ряда элементов: модель земной поверхности (цифровой модели рельефа), модель наземных объектов (объектов недвижимости), модель недр (геологические модели) и т.д. Трехмерная модель рельефа основа 3D модели местности.

Под цифровой моделью рельефа (ЦМР) понимается цифровое представление пространственных объектов в виде трехмерных данных, образующих множество высотных отметок (значений аппликат - координата Z) в узлах регулярной или нерегулярной сети [2].

Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) - это метод сбора геопространственной информации об объектах местности с помощью системы воздушного лазерного сканирования, установленной на каком-либо воздушном судне. Принцип воздушного лазерного сканирования заключается в автоматизированном получении трёхмерной точечной модели земной поверхности и объектов, расположенных на ней, на основе измерения расстояний и направлений до этих точек с помощью лазерного сканера. В результате воздушного сканирования и обработки его результатов получают трёхмерную точечную модель местности, которая называется «облако точек» и состоит из нерегулярного множества точек, принадлежащих различным объектам местности и называемых точками лазерных отражений (ТЛО). Для каждой ТЛО должны быть определены минимум четыре величины: положение в пространстве (координаты X, Y, Z) и значение интенсивности отраженного сигнала [3]. Классификация ТЛО проводится в автоматическом режиме. Результат классификации - разделение общего массива точек на несколько классов (поверхность земли, растительность, водная поверхность, шумы и т.д.).

В качестве пилотного объекта выбрана нагорная часть Нижнего Новгорода с высокоплотной застройкой и сильно рассеченным рельефом.

Материалы ВЛС на территорию Нижнего Новгорода представлены в формате LAS (Logging ASCII Standard) на площади размером 1Ч1 км. Это стандартный файловый формат для обмена данными лазерных съемок. Визуализировать (а также конвертировать, преобразовывать, редактировать) данные возможно при помощи геоинформационной системы (ГИС) Global Mapper (Рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Результаты воздушного лазерного сканирования («облако точек») в Global Mapper (верх - двумерный вид, низ - трехмерный)

Дальнейшая обработка исходных файлов состоит из нескольких этапов. Технологическая схема построения цифровой модели рельефа по данным ВЛС показана на рис. 2. лазерный сканирование трёхмерный город

Для преобразования LAS файлов в текстовый формат TXT (Рис. 3) использован набор программного обеспечения LAStools (LAStools(с) by Martin Isenburg), в частности программа las2txt.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Технологическая схема построения ЦМР

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Текстовый файл с набором параметров: координаты X,Y,Z и коды отражающей поверхности

Для разрежения данных и дальнейшего построения изолиний следующим шагом необходимо выполнить переход от нерегулярного множества точек к регулярной сетке. Шаг сетки выбран 10 м, который оптимален для детализации отвержков у крупных оврагов нагорной части Нижнего Новгорода. Алгоритм такого перехода нами описан с помощью языка программирования Python (с использованием библиотек OS и DBFpy). Каждая точка анализируется на попадание в тот или иной квадрат сетки и находится ближайшая точка к центру квадрата. Этому центру присваивается Z координата ближайшей точки. В идеальном случае в анализ включаются только точки «земли», но встречаются квадраты сетки, в которые не попало ни одной точки типа «земля». В таком случае координаты центра квадрата вычисляются по ближайшей точке любого типа отражения, а высота присваивается из соседнего уже рассчитанного узла. Координаты центров квадратов (узлов) и Z координата ближайшей точки временно хранятся в массиве. Такой массив можно сохранить в любой табличный формат (DBF, Excel и др.).

Перед построением ЦМР необходимо создать точечные графические объекты по координатам сетки в любой из ГИС (например, с помощью стандартных средств ГИС MapInfo).

Для построения ЦМР (Digital elevation model, DEM), в том числе трехмерной, выбрана ГИС Global Mapper. Она имеет широкий инструментарий для работы с моделями рельефа и их анализа. В первую очередь необходимо создать растровое представление поверхности (GRID, англ. grid - решётка, сетка, сеть) (Рис. 4). Растровая модель пространственных данных ЦМР обозначает матрицу высот: регулярную (обычно квадратную) сеть высотных отметок в ее узлах, расстояние между которыми (шаг) определяет ее пространственное разрешение (пикселизация) [2].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. GRID поверхность (слева) и GRID поверхность с отмывкой рельефа (справа) в Global Mapper

После этого можно создать изолинии с любой высотой сечения рельефа (в данном случае через 3 м) (Рис. 5). Для трехмерного представления ЦМР Global Mapper имеет специальный режим «3D View» (Рис. 5, 6).

Детальная проработка рельефа города позволит оптимизировать управление городскими территориями. С использованием ЦМР возможно более грамотно выносить решения по планировке, реконструкции и благоустройству территории, решать проектные задачи по прокладке инженерных коммуникаций. Трехмерные модели являются эффективным средством для управления объектами, которыми могут быть отдельные территории, города, районы, административно-территориальные единицы и целые государства [4].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Изолинии рельефа с высотой сечения 3 м (слева) и 3D View (справа) в Global Mapper

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. 3D View GRID модели в Global Mapper

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Zlatanova, S. 3d Gis: Current status and perspectives / S. Zlatanova, A. A. Rahman, M. Pilonk // GeoSpatial Theory, Processing and Applications. - IAPRS, Ottawa, 2002. - Vol. 34, p. 4. - P.66-71.

2. Геоинформатика [Текст] : в 2 кн. Кн. 1 : учебник для студентов высш. учеб. заведений / Е.Г.Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов [и др.] : под ред. В.С.Тикунова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва : Академия, 2010. - 400 с.

3. Воздушное лазерное сканирование [Электронный ресурс]. - Режим доступа :http://lidar.pro/wiki/Воздушное_лазерное_сканирование.

4. Коротин, А. С. Восстановление трехмерных моделей рельефа местности на основе материалов дистанционного зондирования земли [Текст] / А. С. Коротин, Е. В. Попов // Приволжский научный журнал. Периодическое научное издание / Нижегор. гос. архитектур.строит. ун-т. - Нижний Новгород : ННГАСУ - 2014. - №2 (30). - С.29-34.

Размещено на Allbest.ru