Использование данных лазерного зондирования для создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий

УДК 528.8

В.С. Айрапетян, Т.А. Широкова, А.В. Антипов СГГА, Новосибирск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ РЕАЛИСТИЧНЫХ СЦЕН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

Показана возможность создания трехмерных текстурированных моделей и проведения экологического мониторинга городских территорий с использованием данных лазерного дистанционного зондирования.

V.S. Ayrapetian, T.A. Shirokova, A.V Antipov Siberian State Academy of Geodesy

10 Plakhotnogo Str., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

LASER SENSING DATA USING FOR URBAN AREA THREE DEMENSION REALISTIC SCENE CREATION

The possibility of 3-D urban area texturing models creation and ecological monitoring data collection by means of laser remote sensing data is shown.

В настоящее время методы дистанционного зондирования Земли нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства, для геодезических изысканий, мониторинга окружающей среды и др. На территории городов создаются крупномасштабные планы, строятся их трехмерные модели, включающие модели зданий, рельефа, инфраструктуры и другие.

На сегодняшний день за рубежом стали терять свою популярность двумерные топографические планы, на смену им пришли трехмерные модели, обладающие следующими преимуществами: информативность, наглядность, непрерывность, точность и достоверность. Модели объектов ситуации и рельефа строятся в трехмерном пространстве, тем самым создается так называемая трехмерная карта. Для того, чтобы модели приобрели реалистичный вид, на них проецируются текстуры. Обычно для этих целей используют ортофотопланы, созданные по материалам аэрофото - или космической съемок.

Воздушное лазерное сканирование является одним из передовых методов сбора информации об объектах съемки. При лидарной съемке кроме массива точек лазерных отражений получают цифровые аэрофотоснимки, которые обычно используются для создания ортофотопланов.

В процессе работы выполнены исследования по выбору оптимальных параметров классификации точек лазерных отражений, принадлежащих земной

поверхности, для различных типов местности [1], и способов моделирования рельефа и строений, разработаны методики создания ортофотопланов, моделирования рельефа и зданий по данным воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки с использованием программного продукта ТеггаБоНё. На основе разработанных методик построены трехмерные

текстурированные модели объектов ситуации и рельефа двух территорий г.

2 2

Ниагара-Фолс (2 км ), г. А (3 км ) с точностью, соответствующей требованиям создания плана масштаба 1:500 с высотой сечения рельефа 0,5 м. Средняя квадратическая ошибка моделирования зданий составила 0,251 м, рельефа -

0,085 м. Фрагменты созданных моделей представлены на рис. 1.

Рис. 1. Фрагменты трехмерных текстурированных моделей

г. Ниагара-Фолс и г. А

Для того, чтобы созданные модели городских территорий приобрели реалистичный вид, они должны содержать модели всех существующих реальных объектов, отображаемых на картах и планах крупного масштаба: зданий, строений, автомобильных и грунтовых дорог, растительности, ограждений и др. Построение таких моделей также можно производить по данным воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки.

Для создания полноценных трехмерных реалистичных сцен городов важна информация об экологической обстановке территорий.

В пределах мегаполисов, таких как Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск и других расположены объекты техногенного характера: автомагистрали, тепловые электростанции, промышленные и сельскохозяйственные предприятия и другие, которые выделяют в воздух загрязняющие вещества, неблагоприятно влияющие на здоровье человека. Их пагубное воздействие определяется максимальной и среднесуточной предельно допустимыми концентрациями в воздухе (мг/м ) и классом опасности. Поэтому необходимо производить регулярный мониторинг за выбросами газов в атмосферу с городских территорий, сбор данных об их концентрации и направлении движения. Такую информацию можно получить с опорных пунктов наблюдения, расположенных в городе, на которых измеряется уровень вредных веществ в воздухе, либо с использованием методов дистанционного детектирования, что позволит сократить время на выполнение больших объемов работ, если речь идет о целом городе.

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 [1,2].

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 [1,2], и базы данных HITRAN [3] был выполнен расчет спектроскопических параметров молекул аллена и ацителена, который показал возможность детектирования этих органических соединений с концентрацией на уровне нескольких единиц ppm.

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. C 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.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Antipov, A Ground point classification using molding filter in TERRASOLID [Текст] / A. Antipov, O. Martemyanova // International summer Student Seminar, Novosibirsk - 2010.- PP. 18 - 22.

2. Ayrapetian, V.S. IR lidar based on OPO [Текст] / A.V. Hakobyan, G.M. Apresyan, E.M. Poghossyan, A.H. Sahakyan, K.A. Sargsyan, T.K. Sargsyan // SPIE. - 2006. - V.6160, PP. 708 - 713.

3. Айрапетян, В.С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения [Текст] / В.С. Айрапетян // Вестник НГУ сер. Физика. - 2009. - №3. - С. 20 - 24.

4. Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.N. e.a. The HITRAN Molecular Database: edition of 1991 and 1992, JQSRT., 1992. - V.48, PP. 469 - 507.

© В.С. Айрапетян, Т.А. Широкова, А.В. Антипов, 2011