Application of LIDAR data for creating three-dimensional models of the site/Erdviniu skenavimo duomenu taikymas vietoves trimaciams modeliams generuoti.
Kalantaite, Ausra ; Putrimas, Raimundas ; Slikas, Dominykas 等
1. Ivadas
Vis populiaresnis tampa lazerinio skenavimo metodu surinktu duomenu
taikymas Zemes pavirsiui modeliuoti. Pagrindinis LIDAR (Light Detection
and Ranging) sistemu taikymo motyvas yra LIDAR geba per trumpa laika
surinkti didelius informacijos apie Zemes pavirsiaus tasku padetis
masyvus (Schickler, Thorpe 2001; Zalnie-rukas, Cypas 2006; Stankevicius,
Kalantaite 2009). Pirminiai LIDAR sistemos surinkti duomenys--tai ne tik
informacija apie Zemes pavirsiaus geodezinius aukscius (Stankevicius,
Kalantaite 2009), bet ir kitus gamtinius bei zmogaus sukurtus Zemes
pavirsiaus objektus (pvz., augalija, pastatus ir kt.).
Analizuojant vietoves trimaciu modeliu sudarymo taikant erdvinius
skenavimo duomenis technologijas buvo naudojami tik duomenys apie Zemes
pavirsiaus taskus.
Pastebetos sios problemos: nekokybiskai isrusiuoti pagal tipus
taskai; Zemes pavirsiaus tasku viename kvadratiniame metre yra maziau,
nei nustatyta techniniuose reikalavimuose; yra tasku, kuriu auksciai
neatitinka vietoveje vyraujancio aukscio, t. y. pasitaiko grubiu klaidu.
Analizuojant algoritmus, parengtus uzsienio mokslininku, pastebeta,
kad dauguma mokslininku yra sukure tasku masyvu, issidesciusiu
plokstumoje, o ne erdveje, grubiu klaidu eliminavimo buda. Viena is
daugelio kompiuteriniu programu grubioms klaidoms eliminuoti is tasku
masyvu yra RANSAC, kuria sukure Kanados mokslininkai R. C. Bolles ir M.
A. Fischler (Bolles, Fischler 1981).
Pagrindine problema--tasku, esanciu ant Zemes pavirsiaus, auksciu
ir vyraujanciu vietoves auksciu neatitikimas. Atlikus analize pastebeta,
kad auksciu skirtumai siekia iki keliasdesimties metru. Straipsnyje
pateikiama grafine grubiu klaidu analizes medziaga.
2007 m. sukaupta Lietuvos apskriciu centru lazerinio skenavimo
duomenys (Detalaus ... 2007). Techniniuose reikalavimuose numatyta, kad
viename kvadratiniame metre turi buti 4 fiksuoti taskai, vidutinis
atstumas tarp tasku--0,50 m. Aukscio matavimo tikslumas turi buti ne
prastesnis nei 15 cm, o planimetrinis tikslumas- --30 cm. LIDAR lazerio
spindulys nuotoli iki kietojo pavirsiaus ismatuoja 1-3 cm tikslumu.
Vietoves skenavimo lazeriu tiksluma lemia skenerio savybes, skrydzio
aukstis, ske-navimo kampas, lazerio spinduliu daznis ir sklaida,
atspindinciojo pavirsiaus savybes ir kai kurie kiti faktoriai
(Zalnierukas et al. 2009).
Straipsnyje analizuojamas Vilniaus vieno nomenklaturinio lapo
duomenu masyvas.
2. Grubiu klaidu analize
Pries pradedant analizuoti gretimu tasku auksciu skirtumus reikia
ivertinti vietoves, kurioje atliktas lazerinis skenavimas, reljefo
ypatumus (staigus nuolydziai, skardziai ir pan.). Ivertinus reljefo
ypatumus nustatomas kritinis auksciu skirtumas, pagal kuri bus randami
ir eliminuojami taskai.
Analizuojant Zemes pavirsiaus skenavimo duomenis, nustatyta, kad
tarp ju yra tasku, kuriu auksciai neatitinka vyraujanciu aplinkineje
vietoveje. Tokiems taskams aptikti ir eliminuoti siulomas algoritmas.
Algoritmas pagristas lazerinio skenavimo ypatumais, ivertinant
dazniausiai pasitaikancias grubias klaidas ir palyginant gretimu tasku
auksciu skirtumus, tiriant, ar jie nevirsija kritinio auksciu skirtumo.
Kritiniai taskai randami po viena, po du ir t. t.
Grubiu klaidu filtravimo programa:
Kritiniu tasku grupes ar vieno kritinio tasko paieska ir
eliminavimas is LIDAR duomenu tasku masyvo.
Ieitis. kr--kritinis auksciu skirtumas, t--greta esanciu kritiniu
tasku skaicius, tasku masyvas A([X.sub.i][Y.sub.i][H.sub.i]), cia X,
Y--tasku staciakampes koordinates, H--tasku normaliniai auksciai;
Iseitis. Tasku masyvas B([X.sub.i][Y.sub.i][H.sub.i])--islike
taskai, tasku masyvas C([X.sub.i][Y.sub.i][H.sub.i])--eliminuoti
kritiniai taskai;
1 zingsnis. kr [right arrow] [kritinis auksciu skirtumas], t [right
arrow] [kritinis tasku skaicius];
2 zingsnis. i = 1;
3 zingsnis. Write B([X.sub.1][Y.sub.1][H.sub.1]);
4 zingsnis. Pagal kintamaji j nuo 1 iki t zingsniu 1 ciklas;
5 zingsnis. [h.sub.j] = (abs([H.sub.i] - [H.sub.i+j]);
6 zingsnis. [h.sub.t+j] = (abs([H.sub.i+j] - [H.sub.i+t+1]);
7 zingsnis. Ciklo pabaiga;
8 zingsnis. [h.sub.2t+1] = (abs([H.sub.i] - [H.sub.i+t+1]);
9 zingsnis. Jei [h.sub.j] > kr, pagal kintamaji j nuo 1 iki 2*t
ir [h.sub.2t+1] < kr, tada perejimas i 11 zingsni;
10 zingsnis. Write B([X.sub.i+1] [Y.sub.i+1] [H.sub.i+1]) perejimas
i 16 zingsni;
11 zingsnis. Write B([X.sub.i+t+1] [Y.sub.i+t+1] [H.sub.i+t+1]);
12 zingsnis. Write C([X.sub.i+j] [Y.sub.i+j] [H.sub.i+j]);
13 zingsnis. i = i + t + 1;
14 zingsnis. Jei i > n - 1, tada perejimas i 19 zingsni;
15 zingsnis. Perejimas i 4 zingsni;
16 zingsnis. i = i + 1;
17 zingsnis. Jei i > n - 1, tada perejimas i 19 zingsni;
18 zingsnis. Perejimas i 4 zingsni;
19 zingsnis. Pabaiga.
Lietuvos teritorijoje nera staciu kalnu bei skardziu, todel
analizuojant Lietuvos teritorijos turimus duomenis laikyta, kad kritinis
auksciu skirtumas [+ or -0]5 metrai.
Pvz., ieskant kritiniu tasku grupes is 5 tasku, reikia analizuoti
dar pries ir po esancius taskus. Tokiu atveju analizuojami 7 taskai, t.
y. skaiciuojame 11 auksciu skirtumu. Pirma taska irasome i "B"
tasku masyva (laikome, kad pirmojo tasko duomenyse nera grubiu klaidu).
Tada, jei tarp pirmojo ir antrojo ir tarp pirmojo ir treciojo, ir tarp
pirmojo ir ketvirtojo, ir tarp pirmojo ir penktojo, ir tarp pirmojo ir
sestojo, ir tarp antrojo ir septintojo, ir tarp treciojo ir septintojo,
ir tarp ketvirtojo ir septintojo, ir tarp penktojo ir septintojo bei
tarp sestojo ir septintojo tasku auksciu skirtumai yra didesni uz
kritini auksciu skirtuma (5 metrai), o tarp pirmojo ir septintojo
nevirsija kritinio auksciu skirtumo (5 metru),--antrasis, treciasis,
ketvirtasis, penktasis ir sestasis taskai yra eliminuojami, irasomi i
"C" masyva, o nuo septintojo tasko ciklas atliekamas is naujo.
Jei ne, tada antrasis is septyniu tasku irasomas i "B" masyva
ir nuo jo ciklas atliekamas is naujo ir t. t.
Tasku masyvas su grubiomis klaidomis (1 pav.) (A masyvas):
587141.000,6050128.000,100.000
587142.000,6050128.000,100.000
587143.000,6050128.000,100.000
587144.000,6050128.000,100.000
587145.000,6050128.000,100.000
587146.000,6050128.000,100.000
587147.000,6050128.000,100.000
587148.000,6050128.000,100.000
587149.000,6050128.000,100.000
587150.000,6050128.000,100.000
587131.000,6050129.000,100.000
587132.000,6050129.000,100.000
587133.000,6050129.000,100.000
587134.000,6050129.000,100.000
587135.000,6050129.000, 75.000
587136.000,6050129.000, 71.000
587137.000,6050129.000, 72.000
587138.000,6050129.000, 77.000
587139.000,6050129.000, 83.000
587140.000,6050129.000,100.000
587141.000,6050129.000,100.000
587142.000,6050129.000,100.000
587143.000,6050129.000,100.000
587144.000,6050129.000,100.000
587145.000,6050129.000,100.000
587146.000,6050129.000,100.000
587147.000,6050129.000,100.000
587148.000,6050129.000,100.000
587149.000,6050129.000,100.000
587150.000,6050129.000,100.000
587131.000,6050130.000,100.000
587132.000,6050130.000,100.000
587133.000,6050130.000,100.000
Rezultatai:
Tasku masyvas be grubiu klaidu (2 pav.) (B masyvas):
587141.000,6050128.000,100.000
587142.000,6050128.000,100.000
587143.000,6050128.000,100.000
587144.000,6050128.000,100.000
587145.000,6050128.000,100.000
587146.000,6050128.000,100.000
587147.000,6050128.000,100.000
587148.000,6050128.000,100.000
587149.000,6050128.000,100.000
587150.000,6050128.000,100.000
587131.000,6050129.000,100.000
587132.000,6050129.000,100.000
587133.000,6050129.000,100.000
587134.000,6050129.000,100.000
587140.000,6050129.000,100.000
587141.000,6050129.000,100.000
587142.000,6050129.000,100.000
587143.000,6050129.000,100.000
587144.000,6050129.000,100.000
587145.000,6050129.000,100.000
587146.000,6050129.000,100.000
587147.000,6050129.000,100.000
587148.000,6050129.000,100.000
587149.000,6050129.000,100.000
587150.000,6050129.000,100.000
587131.000,6050130.000,100.000
587132.000,6050130.000,100.000
587133.000,6050130.000,100.000
[FIGURE 1 OMITTED]
[FIGURE 2 OMITTED]
Grubiu klaidu tasku masyvas (C masyvas):
587135.000,6050129.000, 75.000
587136.000,6050129.000, 71.000
587137.000,6050129.000, 72.000
587138.000,6050129.000, 77.000
587139.000,6050129.000, 83.000
Grubiu klaidu tasku masyve irasoma informacija apie eliminuotus
kritinius taskus.
3. Algoritmo testavimas
Algoritmui testuoti buvo parengti trys pradiniu duomenu tasku
masyvai, kuriuose tasku tankumas atitinka lazerinio skenavimo duomenu
reikalavimus (4 taskai 1 [m.sup.2]). Pirmasis tasku masyvas buvo
sudarytas horizontaliame pavirsiuje (3 pav.) (pasirinkti taskai, kuriu
auksciai vienodi), antrasis tasku masyvas buvo sudarytas pasvirojoje
plokstumoje (4 pav.), o treciasis--dvieju nuolydziu plokstumose (5
pav.).
Taskams vizualizuoti naudota ArcGIS programine iranga.
Algoritmas taikytas realiesiems Vilniaus m. M1:2000 zemelapio vieno
lapo LIDAR duomenims. 6 pav. pateikta grafine israiska.
Grubiu klaidu itaka akivaizdi, kai realiuju duomenu tasku masyvas
su grubiomis klaidomis susiejamas su ortofotografiniu zemelapiu. Po
grubiu klaidu analizes eliminavus kritinius taskus gaunamas tikslus
vietoves skaitmeninis modelis (7 pav.).
[FIGURE 3 OMITTED]
[FIGURE 4 OMITTED]
[FIGURE 5 OMITTED]
[FIGURE 6 OMITTED]
[FIGURE 7 OMITTED]
4. Isvados
Analizuojant lazerinio skenavimo duomenu masyvus nustatyta, kad
juose pasitaiko gamybos procese neeliminuotu grubiu klaidu.
Sukurtas algoritmas grubioms lazerinio skenavi-mo duomenu klaidoms
aptikti ir eliminuoti. Algoritmas efektyvus automatizuotai redaguoti
LIDAR duomenis.
Algoritmui testuoti sukurta bandomoji kompiuterine programa ir
isanalizuota eksperimentines teritorijos LIDAR duomenu rinkiniai.
doi: 10.3846/gc.2010.24
Literatura
Bolles, R. C.; Fischler, M. A. 1981. A RANSAC-based approach to
model fitting and its application to finding cylinders in range data,
JCAI: 637-643.
Detalaus erdvinio modelio sudarymas. LIDAR skrydziu ir duomenu
kaupimo kokybes kontroles ataskaita. 2007. FIT Conseil, UAB InfoERA. 19
p.
Lietuvos Respublikos teritorijos detalaus erdvinio modelio sudarymo
kontroles ataskaita. 2008. UAB Aerogeodezijos institutas. 58 p.
Schickler, W.; Thorpe, A. 2001. Surface estimation based on LIDAR,
in Proceedings of the ASPRS Annual Conference. St. Louis, Missouri,
April, 11.
Stankevicius, Z.; Kalantaite, A. 2009. LIDAR Zemes pavirsiaus tasku
masyvo supaprastinimo algoritmu parametru parinkimas, Geodezija ir
kartografija [Geodesy and Cartography] 35(2): 44-49.
doi:10.3846/1392-1541.2009.35.44-49
Zalnierukas, A.; Cypas, K. 2006. Zemes skenavimo lazeriu is
orlaivio technologijos analize, Geodezija ir kartografija [Geodesy and
Chartography] 32(4): 101-105.
Zalnierukas, A.; Ruzgiene, B.; Kalantaite, A.; Valaitiene, R. 2009.
Miestu skenavimo LIDAR metodu tikslumo analize, Geodezija ir
kartografija [Geodesy and Cartography] 35(2): 55-60.
doi:10.3846/1392-1541.2009.35.55-59
Ausra Kalantaite, Raimundas Putrimas, Dominykas Slikas
Geodezijos ir kadastro katedra, Vilniaus Gedimino technikos
universitetas, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lietuva El. pastas
gkk@vgtu.lt
Iteikta 2010 05 10; priimta 2010 09 24
Ausra KALANTAITE. Head of GIS and cartography division at National
Land service under the Ministry of Agriculture, Vilnius (Ph. + 370 5 239
8446), doctorial student of Vilnius Gediminas Technical University (Ph
+370 5 274 4703), e-mail: gkk@vgtu.lt.
A graduated of Vilnius Gediminas Technical University (master of
Geodesy and Cartography, 1997). Participation in projects: Land Parcel
Identification System creation in Lithuania (2002-2003), Land Parcel
Identification System and Block Database update in Lithuania
(2004-2006).
Research interests: digital mapping and GIS.
Raimundas PUTRIMAS. Associate Professor, Doctor. Vilnius Gediminas
Technical University. Dept of Geodesy and Cadastre, Sauletekio al. 11,
LT-10223 Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 274 4703, Fax +370 5 274 4705,
e-mail: RaiPut@ap.vgtu.lt.
Author of more than 30 scientific papers. Participated in many
intern conferences.
Research interests: calibration of geodetic instruments, adjustment
of geodetic networks.
Dominykas SLIKAS. Doctoral student. Vilnius Gediminas Technical
University. Dept of Geodesy and Cadastre, Sauletekio al. 11, LT-10223
Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 274 4703, Fax +370 5 274 4705, e-mail:
gkk@vgtu.lt.
MSc at VGTU (2007).
Research interests: calibration of geodetic instruments,
engineering geodesy.
