Modelowanie elementów geoinformacji na podstawie danych skanowania laserowego

wygłoszony na 10. zebraniu plenarnym Komitetu Geodezji PAN (22 maja 2015r.)

Referat naukowy nt. „Modelowanie elementów geoinformacji na podstawie danych skanowania laserowego” wygłosił prof. A. Borkowski. Referat zawierał wyniki pracy zespołu pracowników Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu w składzie: mgr inż. Małgorzata Jarząbek-Rychard, mgr inż. Małgorzata Mendela, dr inż. Grzegorz Jóźków, mgr inż. Marcin Ziaja oraz dr inż. Przemysław Tymków.

Na wstępie prof. A. Borkowski wyjaśnił czym jest geoinformacja, przytaczając kilka jej definicji m.in. definicję zamieszczoną w wolnej encyklopedii „dyscyplina naukowa w obrębie nauk geograficznych redefiniująca i rozwijająca dotychczasowe, uznane i przyjęte koncepcje, teorie i poglądy nauk geograficznych w kategoriach informatycznych, dających nowe możliwości interpretacyjne”. W dalszej części wystąpienia prof. A. Borkowski omówił technologię pomiaru wykorzystującą wiązkę światła laserowego – LIDAR i wyjaśnił, że w jej obrębie istnieją różne techniki pomiarowe tj. naziemny skaning laserowy (TLS), lotniczy skaning laserowy (ALS), mobilny skaning laserowy (MLS), przemysłowy skaning laserowy (ILS) oraz skaning z bezzałogowych statków latających (ULS).

Prelegent przedstawił fragment chmury punktów (zbiór punktów 3D) pochodzącej z lotniczego skaningu laserowego sklasyfikowanej według parametru wysokości oraz intensywności. Zwrócił uwagę na konieczność kalibracji rejestrowanej intensywności, z uwagi na fakt, że jej wartość uzależniona jest od wielu czynników i dla tego samego obiektu może przyjmować różne wartości w zależności od profilu w jakim była rejestrowana. Zauważył, że chmura punktów może być wykorzystana do aktualizacji baz danych oraz detekcji zmian. Z wyników badań ww. zespołu wynika, że ok. 60% obiektów wchodzących w skład Bazy Danych Obiektów Topograficznych (BDOT) może być zidentyfikowanych w zbiorze danych pochodzących z lotniczego skaningu laserowego i na jego podstawie zamodelowana. Do modelowania obiektów zidentyfikowanych w chmurze punktów ALS najczęściej wykorzystywane są: algorytm α-shape, algorytm κ, algorytm rosnących regionów oraz algorytmy morfologiczne (RANSAC, aktywnych konturów).

Prof. A. Borkowski przedstawił przykładów modelowania obiektów 2D BDOT na podstawie danych pochodzących ze skaningu ALS. Pierwszy z nich odniesiony był do zbiorników wodnych. Standardowo tego typu obiekty są rejestrowane na podstawie sytuacji widocznej na ortofotomapie, jednak w niektórych przypadkach ze względu na występującą szatę roślinną nie ma takiej możliwości i tu wykorzystywane są dane z ALS. Kolejny przykład dotyczył dróg, których identyfikacja odbywa się przy wykorzystaniu danych o zarejestrowanej intensywności odbicia. Prof. A. Borkowski przedstawił wyniki walidacji tego podejścia, które potwierdziły zasadność jego wykorzystania podczas modelowania obiektów 2D na potrzeby BDOT.

W dalszej części wystąpienia prof. A. Borkowski omówił modelowanie zabudowy 3D na podstawie danych z lotniczego skaningu laserowego na drugim i trzecim poziomie skali City GML z wykorzystaniem autorskiego rozwiązania. Automatyczne modelowanie budynków 3D z wykorzystaniem tego rozwiązania przebiega w kilku etapach. W pierwszej kolejności w obrębie surowej chmury punktów identyfikowane są punkty należące do budynków, następnie przeprowadzana jest segmentacja punktów budynku (wyodrębnienie połaci dachowych), kolejno wykonywana jest ekstrakcja konturów z wykorzystaniem odpornych metod estymacji. Ostatnim, a zarazem najbardziej problematycznym etapem modelowania jest rekonstrukcja topologii i geometrii 3D budynku. Prof. A. Borkowski przedstawił kilka przykładów takiego modelowania budynków i wykazał, że jego skuteczność wynosi od 80 do 100%. W dalszej części wystąpienia prof. A. Borkowski zaprezentował wyniki modelowania automatycznego i manualnego przykładowego obiektu i zauważył, że w tym konkretnym przypadku modelowanie automatyczne pozwoliło wykryć elementy zgeneralizowane czy pominięte podczas modelowania manualnego. Poinformował również, że oprócz modelowania 3D budynków ww. zespół zajmuje się również modelowaniem 3D innych obiektów, np. krawędzi wałów przeciwpowodziowych. Na podstawie tak zamodelowanych obiektów oraz dodatkowych danych o pokryciu terenu tworzone są szczegółowe numeryczne modele pokrycia terenu nowej generacji wraz z bazą danych o obiektach.

Prof. A. Borkowski zakomunikował, że kolejnym zagadnieniem jakim zajmuje się jego zespół jest modelowanie zabudowy na podstawie połączonych chmur punktów pochodzących zarówno z naziemnego jak i lotniczego skanowania laserowego. Proces ten odbywa się półautomatycznie i składa się z 4 głównych etapów tj.: przygotowania danych skaningu i ich integracji, rekonstrukcji geometrii, utworzenia wektorowego modelu 3D oraz teksturowania. Omówił również źródła błędów takiego modelu i stwierdził, że są wypadkową błędów danych skaningu naziemnego i lotniczego, integracji danych, generalizacją modelu, topologii oraz teksturowania. Dokładność bezwzględna modeli generowanych z wykorzystaniem tego rodzaju metodyki wynosi 10-15 cm.

 Na zakończenie prof. A. Borkowski poinformował, że Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu w ostatnim czasie nabył bezzałogowy statek latający na którym zainstalowany jest ultralekki skaner laserowy. Jest to jedyny tego typu sprzęt w Polsce. Obecnie trwają prace nad opracowywaniem oraz modelowaniem danych z tego typu sensora.