Разработка методики трехмерного моделирования объектов ситуации и рельефа городской территории по данным наземного лазерного сканирования г. Томска

УДК 528.721.221.6:528.8.042

А.К. Аманова, Т.А. Широкова, А.В. Комиссаров

СГГ А, Новосибирск

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ СИТУАЦИИ И РЕЛЬЕФА ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ ПО ДАННЫМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ Г. ТОМСКА

Цифровые трехмерные модели объектов ситуации и рельефа могут быть созданы различными методами, в том числе и с помощью данных наземного лазерного сканирования. Поскольку метод наземной лазерной съемки является сравнительно новым, для его практического использования необходимо разрабатывать как технологии выполнения лазерного сканирования объектов, так и методики обработки сканерных данных для построения цифровых моделей местности с учетом особенностей объектов съемки и решаемых задач.

A.K. Amanova, T.A. Shirokova, A.V. Komissarov SSGA, Novosibirsk

DEVELOPMENT OF 3D MODELING TECHNIQUES FOR THE OBJECTS OF URBAN LANDS SITUATION AND RELIEF USING THE DATA OF TERRESTRIAL LASER SCANNING IN TOMSK

Digital 3D models of situation and relief objects may be developed by different ways including terrestrial laser scanning data. As the method of terrestrial laser scanning survey is rather new, its practical application requires the development of the new technologies for object laser scanning and those for scanning data processing, to be used for digital terrain models development taking into account the features of survey objects and the problem to be solved.

Трехмерное моделирование городов по данным наземного лазерного сканирования открывает новые горизонты для проектирования объектов любой величины и сложности. Например, еще до начала строительства можно оценить визуально и математически как новое здание будет согласовываться с соседними постройками, как оно будет выглядеть с различных ракурсов, учитывая ландшафт местности.

В 2008 г. сотрудниками регионального центра лазерного сканирования была выполнена съемка центральной части г. Томска наземными лазерными сканерами Riegl LMS-Z210 и Riegl LMS-Z420i [1], на которую по полученным сканерным данным с использованием программных продуктов (ПП) - Riscan PRO, Cyclone 5.2, Surfer 7.0, 3D Studio MAX построена цифровая трехмерная модель.

В процессе обработки результатов сканирования было установлено, что моделирование объектов ситуации городской территории процесс достаточно сложный, так как город насыщен большим количеством инженерных сооружений различного содержания, назначения, различной формы и размеров. Для векторизации точечной модели была предложена методика, в которой с учетом особенностей объектов ситуации используется два способа

моделирования: путем вписывания в массив точек геометрических тел и примитивов и «выдавливания» трехмерных моделей объектов по построенным осям (рис. 1) [2].

Для построения трехмерных векторных моделей объектов ситуации использованы различные режимы вписывания в массив точек геометрических примитивов и тел, а именно: автоматический, полуавтоматический и интерактивный. В результате исследований разработаны практические рекомендации по применению режимов моделирования для создания моделей объектов городской территории.

Трехмерное моделирование стен зданий, колонн, заборов, ограждений, а также объектов, отсканированных с высоким разрешением, следует выполнять в автоматическом режиме. Этот способ создания векторных моделей объектов ситуации, имеющих геометрически правильную форму, наиболее точен, так как размер и положение объекта вычисляются математически по алгоритмам, реализованным в программном продукте для обработки данных наземного лазерного сканирования (в исследованиях применялся ПП Cyclone 5.2).

Построение цифровой трехмерной модели объектов ситуации на городскую территорию

_________________________________1l_____________________________________

Построение осей объектов в виде полилиний

Выдавливание трехмерных моделей объектов по построенным осям

Рис. 1. Методика создания трехмерных моделей объектов ситуации городской

территории

Полуавтоматический режим рекомендуется использовать при моделировании столбов линий электропередач и участков точечной модели с большой загруженностью. Вписывание геометрического примитива в массив точек в этом случае упрощается за счет удаления точек, не принадлежащих объекту, векторная модель которого создается.

Интерактивный режим построения трехмерной модели следует применять для моделирования светофоров, фонарных столбов, мелких

деталей объектов или при наличии сканерных данных низкого качества. В этом случае сначала в соответствии с формой моделируемого объекта, по указанию оператора, создается геометрическое тело или примитив. Затем выполняется редактирование его положения и параметров относительно точечной модели.

Когда объекты имеют сложную или неправильную геометрическую форму (например, купола архитектурных сооружений), то их моделирование эффективнее выполнять с использованием трехмерных полилиний и чертежей профилей. Сущность метода заключается в построении осей элементов объектов в виде полилиний, по которым затем выполняется «выдавливание» трехмерных конструкций [3]. Это позволяет с высокой точностью передать форму моделируемого объекта и значительно сократить время на обработку результатов сканирования.

При создании цифровых моделей местности (ЦММ) на городскую территорию необходимым процессом для достижения наибольшей реалистичности создаваемых трехмерных моделей зданий и сооружений является моделирование оконных проемов. Для этих целей по разработанной в ходе проведенных исследований методике окна сначала отрисовываются в виде замкнутых полигонов, которые затем вырезаются из трехмерных моделей стен зданий. Также разработана методика векторизации воздушной линии электропередач. При этом сначала оси проводов изображаются в плане в виде полилиний, а затем их положение редактируется по высоте путем совмещения с точечной моделью.

Для создания близких к реальным цифровых моделей местности городов следует также выполнять моделирование крупной древесной растительности. При обработке сканерных данных модель каждого дерева создается следующим образом: сначала в автоматическом или полуавтоматическом режиме строится модель ствола дерева в виде примитива «цилиндр», а затем в интерактивном режиме моделируется крона в виде двух взаимнопересекающихся плоскостей.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) является неотъемлемой частью ЦММ городских территорий, поэтому выбор метода создания ЦМР является обязательным аспектом 3D-конструирования моделей городов [4]. Так как городская местность содержит большое количество зданий и сооружений, то в этом случае построить цифровую модель рельефа по методике, основанной на применении различных фильтров для удаления точек, не принадлежащих поверхности земли, нецелесообразно, потому что после фильтрации появляется большое количество пропусков в точечной модели, и ЦМР строится не корректно. В связи с этим разработана методика моделирования рельефа городской территории, приведенная на рис. 2.

В соответствии с данной методикой (рис. 2) в ПП Cyclone 5.2 в пределах всей моделируемой территории выполняется рисовка полилиний, описывающих форму рельефа по профилям, отстоящим друг относительно друга на расстоянии 2 м. Затем по полилиниям производится набор исходных точек с координатами XВН, YBH, ZВН для построения ЦМР. Для этого

параллельно плоскости Хвн YBH устанавливается равномерная сетка с шагом 3 м, по которой с использованием функции Create Object указываются точки на пресечении нарисованных полилиний и линий сетки, а также в характерных местах рельефа. По координатам этих точек в программе Surfer строится регулярная сетка высот, с использованием которой в ПП Cyclone создается трехмерная модель рельефа в виде Mesh-поверхности.

Построение цифровой модели рельефа

________________________________1________________________________'

I I

( --------------------------------------------------------------- i

Рисовка полилиний, описывающих форму рельефа в профите

Набор точек по нарисованным полилиниям

Создание регулярной сетки высот

Построение ЦМР в виде Mesh-поверхности

Рис. 2. Методика создания цифровой модели рельефа на городскую

территорию

По предложенной методике трехмерного моделирования объектов ситуации и рельефа построена ЦММ на территорию ул. Ленина в г. Томске.

На последнем этапе выполнено оформление цифровой модели местности. В 1111 Cyclone все объекты были окрашены в цвета, близкие к реальным. На модели некоторых зданий в 1111 3D Studio MAX наложена фототекстура (рис. 3). Для этих целей использовались снимки, полученные цифровой неметрической камерой.

Рис. 3. Фрагмент цифровой модели местности по ул. Ленина в г. Томске с

нанесенными текстурами

При оценке точности созданной ЦММ участка городской территории вычислены средние квадратические ошибки построения моделей объектов ситуации и рельефа, которые составили 0,016 м и 0,056 м соответственно.

По построенной цифровой трехмерной модели можно измерять координаты любой точки местности, определять линейные размеры, площади и объемы объектов, а также решать задачи градостроительства, связанные с планировкой, застройкой и благоустройством территорий.

Созданная ЦММ на территорию ул. Ленина в г. Томске передана в департамент архитектуры и градостроительства мэрии г. Томска для ландшафтного проектирования и проектирования строительства. Практическое использование данной модели при проведении строительных или реконструкционных работ позволит проектировать объекты различной величины и сложности и оценивать, как новые или отреставрированные здания и сооружения будут вписываться в силуэт города.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Особенности создания цифровых моделей городских территорий средствами наземного лазерного сканирования [Текст] / В. А. Середович и др. // ГЕ0-Сибирь-2009. Т.

1. Ч. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия: сб. материалов V междунар. науч. конгр., 20 - 24 апр. 2009 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2009. -С. 136 - 140.

2. Аманова, А. К. Технология создания цифровых топографических планов и моделей местности по данным наземного лазерного сканирования для решения задач градостроительства [Текст] / А. К. Аманова, Е. В. Романович, И. В. Бородулина // Сб. тез. докл. Новосиб. межвуз. науч. студен. конф. «Интеллектуальный потенциал Сибири» - Ч.

2, 20 - 21 мая 2009 г. - Новосибирск, 2009. - С. 66 - 67.

3. Построение трехмерных моделей электроподстанций по данным наземного лазерного сканирования. [Текст] / А. В. Комиссаров и др. // Сб. материалов XII междунар. науч.- практ. конф., 29 мая - 5 июня 2008 г. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 73 - 78.

4. Трехмерное моделирование и фотореалистичная визуализация городских территорий [Электронный ресурс]: офиц. сайт интернет-журнала «ARCREVIEW». -Режим доступа: http://www.dataplus.ru/Arcrev/Number_25/ 12_model.htm.

© А.К. Аманова, Т.А. Широкова, А.В. Комиссаров, 2010