«Τρισδιάστατα μοντέλα ανακατασκευής κτηρίων από σημειακά νέφη και κατόψεις»
Από RemoteSensing Wiki
Δημοσίευση Εφαρμογής Τηλεπισκόπισης: «3D BUILDING MODEL RECONSTRUCTION FROM POINT CLOUDS AND GROUND PLANS», «Τρισδιάστατα μοντέλα ανακατασκευής κτηρίων από σημειακά νέφη και κατόψεις» Συγγραφείς: George Vosselman and Sander Dijkman Department of Geodesy, Delft University of Technology, The Netherlands
Ανάλυση – Παρουσίαση:
Tο άρθρο αυτό ασχολείται με την κατασκευή τρισδιάστατων μοντέλων του αστικού περιβάλλοντος. Παρουσιάζονται δύο μέθοδοι για την ανοικοδόμηση του κτηριακού μοντέλου. Η πρώτη μέθοδος στηρίχθηκε στην ανίχνευση τεμνόμενων γραμμών και γραμμών ύψους (height jump lines) μεταξύ επίπεδων επιφανειών. Η δεύτερη μέθοδος αρχικά δημιουργεί χονδροειδή μοντέλα που επεξεργάζονται βάση πρότυπων μοντέλων που προσαρμόζονται σε σημειακά νέφη που δεν αντιστοιχούν στα αρχικά μοντέλα. Η τελευταία μέθοδος καταφέρνει μεγαλύτερο αριθμό λεπτομερειών ανακατασκευής. Στην εφαρμογή γίνεται χρήση δεδομένων FLI-MAP. Τα αερομεταφερόμενα λέιζερ αποτελούν δημοφιλή τεχνική για την απόκτηση ψηφιακών υψομετρικών μοντέλων. Τα τρισδιάστατα μοντέλα πόλης παράγονται από συμβατικές εναέριες μηχανές φωτογραμμετρίας ή με ημι-αυτοματοποιημένες διαδικασίες για μετρήσεις σε αεροφωτογραφίες ενώ έχει πυροδοτηθεί έρευνα για την αυτοματοποιημένη ανασυγκρότηση των τρισδιάστατων κτηριακών μοντέλων.
Με την αύξηση της σημειακής πυκνότητας, που φτάνει ως ένα σημείο ανά τετραγωνικό μέτρο που έχει επιτευχθεί με τη χρήση σύγχρονης τεχνολογίας, έχει διευκολυνθεί η ανίχνευση των επίπεδων επιφανειών οροφής με την παραγωγή σημειακών νεφών. Αυτές οι υψηλές σημειακές πυκνότητες συνήθως οδηγούν σε μεγάλο αριθμό σημείων σε μια ενιαία επιφάνεια στέγης. Με την ανάλυση των σημειακών νεφών αυτές οι επιφάνειες ανιχνεύονται αυτόματα. Λόγω των συντριπτικών στοιχείων που παρέχονται από τον μεγάλο αριθμό των σημείων, η ανίχνευση της επιφάνειας οροφής είναι αρκετά αξιόπιστη. Για την ανίχνευση επίπεδων σημειακών νεφών επεκτείνονται οι μετασχηματισμοί Hough σε μετασχηματισμούς τριών διαστάσεων.
Ενώ ο προσανατολισμός και το ύψος της επιφάνειας της οροφής μπορεί να εκτιμηθεί με ακρίβεια, το περίγραμμα της είναι πιο δύσκολο να καθοριστεί. Για το λόγο αυτό γίνεται χρήση πολεοδομικών σχεδίων όπου αυτά είναι διαθέσιμα αλλά και των αρχιτεκτονικών σχεδίων των κτηρίων, που αποκαλύπτουν πληροφορίες για την κατασκευή τους. Τα περιγράμματα των κτηρίων, όπως δίνονται στις κατόψεις παρουσιάζουν την ακριβή θέση των τοίχων του κτηρίου. Τέμνοντας τους τοίχους με τα ανιχνευμένα επίπεδα οροφής, μερικά από τα όρια των επιφανειών οροφής μπορούν να ανακατασκευαστούν. Άλλα όρια θα βρεθούν από την τομή των ζευγών των γειτονικών επιπέδων στεγών και από την ανίχνευση των υψομετρικών ακμών σε σημειακό νέφος.
Το έγγραφο παρουσιάζει τη διαδικασία απόσπασης της στέγης των κτηρίων και τη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων τους, συνδυάζοντας αποσπασμένες στέγες με σχέδια κατόψεων.
Αρκετοί αλγόριθμοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατάτμηση του εύρους των δεδομένων. Πολλοί από αυτούς απαιτούν τον υπολογισμό της κανονικής διανυσματικής επιφάνειας. Δεδομένου ότι τα διανύσματα τείνουν να έχουν πολύ θόρυβο στην περίπτωση των δεσμών λέιζερ με υψηλή σημειακή πυκνότητα σημείο, προτιμούνται αλγόριθμοι που δεν απαιτούν κανονικά διανύσματα. Ένας τέτοιος αλγόριθμος είναι ο Hough μετασχηματισμός επεκταμένος σε τρείς διαστάσεις.
Σε αυτόν ένα συγκεκριμένο σημείο (x, y) σε μια εικόνα καθορίζει μια γραμμή y = ax + b στην παράμετρο χώρο με άξονες για τις παραμέτρους α και β. Εάν μια εικόνα περιέχει αρκετά σημεία σε μια ευθεία γραμμή, οι γραμμές των σημείων αυτών στην παράμετρο χώρο θα διασταυρώνονται και η θέση της τομής παραχωρείται στη παραμέτρους της γραμμής στην εικόνα.
Αυτή η αρχή μπορεί εύκολα να επεκταθεί σε τρεις διαστάσεις. Κάθε σημείο (x, y, z) σε μια δέσμη στοιχείων λέιζερ ορίζει ένα επίπεδο z = x + sx sy y + δ στη τρισδιάστατο παράμετρο χώρο βαθμονομείται από τους άξονες των παραμέτρων sx, sy, και δ, όπου sx και sy είναι η κλίση στην x και στην y κατεύθυνση και το δ δηλώνει τη κατακόρυφη απόσταση του επιπέδου από το σημείο αναφοράς.
Ο μετασχηματισμός Hough δεν ελέγχει αν τα σημεία που βρέθηκαν στο ίδιο επίπεδο όντως αποτελούν μια συνεχή επιφάνεια. Μπορούν να βρεθούν επίσης συμπτωματικά και κάποια διάσπαρτα σημεία που βρίσκονται σε ένα επίπεδο. Για να εξακριβωθεί αυτό, τα TIN όλων των σημείων του λέιζερ είναι απαραίτητα. Χρησιμοποιούνται μόνο τα σημεία του εντοπισμένου επιπέδου που διαμορφώνουν ενιαίο κομμάτι του TIN του ελάχιστου μεγέθους. Σημεία που καθορίστηκαν σε επίπεδη επιφάνεια αφαιρούνται από την παράμετρο χώρο πριν καταχωρηθούν εκ νέου στο επόμενο επίπεδο.
Στην περίπτωση κτηρίων με πολυεπίπεδη οροφή ο παραπάνω μετασχηματισμός οδηγεί σε ψευδή επίπεδα. Επίσης συμβαίνει ορισμένες αυθαίρετα επίπεδες περιοχές να περιέχουν περισσότερα σημεία από ό, τι οι περιοχές γύρω από το επίπεδο οροφής και έτσι ανιχνεύονται λάθος επίπεδα. Για να αποφευχθεί αυτό και να μειωθεί η πιθανότητα ενός μέρους να περιλαμβάνει πολλά επίπεδα, θα χωρισθεί το σύνολο των δεδομένων σε μικρότερα μέρη (σχήμα 1) θα εφαρμοστεί ο μετασχηματισμός Hough στα σημεία του κάθε μέρους χωριστά (σχήμα 2). Σε πολλά κτήρια τα επίπεδα της οροφής είναι παράλληλα με ένα από τα άκρα της κατακερματισμένης κάτοψης. Μετά την προβολή όλων των σημείων σε ένα τμήμα σε ένα κάθετο επίπεδο μέσω ενός ακριανού τμήματος, θα εφαρμοστεί ο μετασχηματισμός Hough σε δύο διαστάσεις (σχήμα 3, 4).
Ο τελικός προσδιορισμός των επίπεδων παραμέτρων ακολουθείται από προσαρμογή τετραγώνων χρησιμοποιώντας όλα τα σημεία που ορίζονται στο επίπεδο (σχήμα 5). Εκτός αν ο αριθμός των σημείων ανά τμήμα είναι πολύ μικρό, ένα ή περισσότερα επίπεδα θα έχουν βρεθεί από την παραπάνω διαδικασία. Τμήματα με ένα μόνο επιφανειακό επίπεδο μπορούν να αποδοθούν πλήρως σε αυτό το επίπεδο. Συνδυάζοντας τα όρια της επιφάνειας της κάτοψης με το ανιχνευμένο επίπεδο, ένα τρισδιάστατο μοντέλο για το τμήμα αυτό μπορεί να κατασκευαστεί. Για τα τμήματα που περιέχουν σημεία πολλαπλών επίπεδων επιφανειών απαιτείται περαιτέρω κατάτμηση του τμήματος μέχρι μια μόνο επίπεδη επιφάνεια να ανήκει σε κάθε τμήμα. Ένα τμήμα χωρίζεται αν παρουσιάζεται μια γραμμή τομής δύο γειτονικών επίπεδών ή μια ακμή σε ύψος μεταξύ τους (σχήμα 6).
Όταν δεν είναι εφικτός περαιτέρω διαχωρισμός όλα τα τμήματα έχουν αντιστοιχιστεί σε μια επίπεδη επιφάνεια. Αν σε ορισμένα τμήματα εξακολουθούν να υπάρχουν σημεία που ανήκουν σε διαφορετικές επίπεδες επιφάνειες, επιλέγεται ο επίπεδο με το μεγαλύτερο αριθμό σημείων. Όλα τα παρακείμενα τμήματα της κάτοψης που έχουν ενταχθεί στο ίδιο επίπεδο συγχωνεύονται και κάθε τμήμα αντιστοιχεί σε ένα επίπεδο οροφής (σχήμα 7). Από το συνδυασμό αυτής της διαδικασίας με τις παραμέτρους προκύπτει το τρισδιάστατο μοντέλο κτηρίων. (σχήμα 8).
Προκειμένου να εμφανιστούν περισσότερες λεπτομέρειες στο μοντέλο, εφαρμόζεται μια δεύτερη μέθοδος. Σε αυτή αρχικά δημιουργείται ένα χονδροειδές τρισδιάστατο μοντέλο που προέρχεται από το καθορισμό χονδροειδών μορφών στο αρχικό τμήμα της κάτοψης. Αναλύοντας τα σημειακά νέφη, που δεν ανταποκρίνονται σε αυτό το μοντέλο, εκτιμούνται βελτιώσεις. Στη συνέχεια εφαρμόζεται ο μετασχηματισμός Hough. Θεωρώντας ορθογώνια τμήματα, παράγονται διαφορετικά μοντέλα οροφής για το τμήμα: επίπεδη οροφή, κεκλιμένη στέγη με δύο κάθετες κατευθύνσεις, και δύο δίρριχτες στέγες με κάθετες κατευθύνσεις. Αναλύοντας τις εκτιμώμενες παραμέτρους των στεγών επανεκτιμάται το αρχικό πρότυπο και στη συνέχει επαναπροσδιορίζεται και αποκτά λεπτομέρεια με τη διαδικασία μοντελοποίησης με σημειακά νέφη (σχήμα 9).
Η ανακατασκευή τρισδιάστατων μοντέλων πόλης, που προϋποθέτει χρήση σύγχρονων φωτογραμμετρικών μηχανών, γίνεται ολοένα και πιο δημοφιλείς αφού βρίσκουν εφαρμογή στην ανάλυση της διάδοσης του θορύβου και της ρύπανσης του αέρα μέσα από τις πόλεις και στην εκτίμηση φόρου ακίνητης περιουσίας.
Your Content Here
