Crear la envolvente de un edificio a partir de LIDAR aéreo

Este documento presenta un flujo de trabajo utilizado para crear envolventes (exteriores) de edificios a partir de LIDAR aéreo clasificado. Este método agrupa los puntos de las cubiertas en diferentes partes, crea una red irregular triangulada (TIN) para cada parte, extruye el límite de cada parte hasta el suelo y escribe el resultado en una clase de entidad multiparche. La representación basada en multiparches de los exteriores de los edificios puede utilizarse para su visualización y análisis.

Se extrae un conjunto de ejemplos de envolventes de edificios para una zona urbana.

La ventaja de este enfoque es la precisión posicional de las cubiertas, ya que se realizan directamente a partir de los puntos LIDAR. También puede modelar algunas formas de cubierta inusuales y únicas, ya que no está restringido a un conjunto limitado de formas de tejado típicas. Las desventajas incluyen resultados ruidosos cuando se ven de cerca, esquinas interiores del edificio que son redondeadas en lugar de nítidas, un recuento de vértices potencialmente de salida más alto y la falta de múltiples niveles de detalle.

Existen otros enfoques para crear la extracción de envolventes de edificios. Uno de ellos, por ejemplo, divide las cubiertas en diferentes partes, predice un tipo de cubierta y una altura de alero para cada una de ellas y genera la geometría de la parte de forma procedimental, escribiendo el resultado en una clase de entidad multiparche. La ventaja de este enfoque es que ofrece una geometría limpia y sencilla. El inconveniente estriba sobre todo en la cuestión de la exactitud posicional. Es posible que la cubierta modelada no coincida muy bien con la real, aunque hay formas de identificar los edificios problemáticos y arreglarlos. Para más información, consulte la solución 3D Buildings.

Se muestran tipos de cubiertas estándar y ejemplos que utilizan un enfoque procedimental.

Ambos enfoques extruyen desde la cubierta/borde de la cubierta hasta el suelo, por lo que los lados del edificio son simples y verticales. Los modelos no capturan los balcones ni los voladizos.

Requisitos:

• ArcGIS Pro 3.3 o versiones posteriores
• LIDAR aéreo clasificado para cubiertas de edificios
• Una densidad de puntos de al menos 4 ppm / 0,5 m de separación
• Un ráster de un modelo digital de elevación (DEM) para suministrar la altura sobre el suelo

Conceptos

Este enfoque utiliza los puntos de la cubierta para formar la geometría de la envolvente del edificio. El desorden en la parte superior de la cubierta, como antenas, tuberías, rejillas de ventilación, ventiladores y otros equipos relacionados con la climatización, puede ser indeseable. Los laterales de los edificios tienden a introducir consecuencias negativas procedentes de elementos como los balcones y las partes que sobresalen del lateral de los edificios altos. Por tanto, los puntos clasificados como edificio deben incluir la cubierta, pero excluir el desorden indeseable y los puntos laterales del edificio.

Los puntos de las cubiertas se agrupan en función de la distancia 3D. Así se separan las partes de la cubierta que están a alturas claramente diferentes entre sí. Las paredes verticales se omitirán entre ellas.

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El clustering basado en la distancia es más útil para estructuras más grandes en zonas urbanas, ya que es más probable que tengan partes a alturas claramente diferentes. Las cubiertas con partes que se juntan en puntos comunes, como es más habitual en las viviendas unifamiliares, no acabarán en clústeres diferentes.

Se muestra una vista transversal de puntos de la cubierta con diferentes secciones que se encuentran entre sí. Por tanto, se combinarán en un solo clúster de techo.

El límite 2D de cada clúster se utiliza como parte de la cubierta y se extruye hasta el suelo, formando las paredes de la envolvente del edificio. Los polígonos límite de los clústeres, que son cascos cóncavos, se definen utilizando un concepto denominado formas alfa. Un parámetro clave que define lo ajustado que está el límite alrededor del clúster se llama radio alfa.

De izquierda a derecha, vista descendente de un conjunto de puntos para una parte de un edificio, una parte correspondiente de un polígono de cubierta de salida realizado con un radio alfa de 0,5 m, y un resultado utilizando un radio alfa de 1,0 m. Observe cómo ciertas esquinas son más nítidas con el radio alfa más pequeño, mientras que los lados del edificio son más limpios utilizando el valor mayor.

Los límites de los distintos clústeres de un edificio no coinciden limpiamente, lo que puede considerarse un punto débil del enfoque, ya que hay huecos entre las partes. Ello no es un gran problema, excepto cuando se ve desde una distancia cercana.

A la izquierda se muestra una vista descendente de los polígonos de las partes de la cubierta de un edificio y a la derecha, en perspectiva, la envolvente del edificio correspondiente.

Si bien este enfoque de la modelización de la envolvente del edificio tiene sus limitaciones, los resultados pueden ser a menudo suficientes para el trabajo y proporcionar una aproximación más cercana que las técnicas que se basan en la modelización basada en los tipos de cubierta.

Flujo de trabajo

El flujo de trabajo comienza utilizando la herramienta de geoprocesamiento Extraer objetos de una nube de puntos. Esta herramienta extrae geometrías delimitadoras alrededor de clústeres de puntos clasificados como iguales. Utilice esta herramienta para obtener una huella 2D de cada parte de la cubierta, y para cada parte, el rango z de los puntos que la formaron. A continuación, la herramienta utiliza esos polígonos de cubierta como entrada para la herramienta de geoprocesamiento Edificios multiparche LAS. Construya un TIN para cada parte utilizando puntos clasificados del edificio que también se filtran por el rango de altura asociado a la parte de la cubierta y extruyendo el límite del TIN hasta el suelo.

Nota:

Para ahorrar tiempo, experimente con un subconjunto representativo para hacerse una idea de cuál será un buen conjunto de valores de parámetros con sus datos antes de aplicarlo a una colección mayor.

Parámetros de la herramienta de geoprocesamiento Extraer objetos de una nube de puntos

1. Nube de puntos de entrada: el dataset LAS de entrada.
2. Códigos de clase que se van a extraer: indique qué código de clase representa los puntos de la cubierta. Generalmente, es de clase 6. Puede predeterminar que el Id. de grupo de salida sea el mismo.
3. Entidades del objeto de salida: la clase de entidad de salida.
4. Tipo de geometría de salida: el casco cóncavo 2D.
5. Distancia entre clústeres: será la distancia de separación en Z entre clústeres. Los valores comprendidos entre 0,5 y 3,0 metros son razonables. Pruebe a partir de 1,5 metros. La intención es que los puntos que pertenecen a una parte de la cubierta estén a esa distancia unos de otros y, por lo tanto, formen un clúster como grupo, mientras que las diferentes partes de la cubierta estarán a una distancia mayor y, como resultado, se agruparán por separado.
6. Factor de escala de clustering vertical: comience con un valor de 1,0. El uso de un valor mayor exagerará el impacto de la diferencia de altura entre puntos, mientras que un valor menor lo disminuirá. Cuando se utiliza un valor de 0,0, la altura ya no se aplica y el clustering se realiza en 2D. Utilice 0,0 para obtener la huella del edificio en lugar de las impresiones parciales de la cubierta.
7. Calcular un radio único para cada objeto: deje este parámetro desactivado de forma predeterminada, pero es útil experimentar con él. Si lo activa, es probable que obtenga un límite más detallado de cada objeto. Aunque potencialmente beneficioso, también puede introducir más ruido en las paredes laterales de los edificios.
8. Radio alfa: este parámetro controla la precisión con la que se ajustan los límites de los polígonos de salida alrededor de los clústeres de puntos y se activa cuando el parámetro anterior está desactivado. Los valores más pequeños producen más detalles a lo largo de las paredes y alrededor de las esquinas interiores del edificio, mientras que los valores más grandes generalizan más y producen paredes más suaves. Pruebe a partir de 2 metros.
9. Número mínimo de puntos: deje este parámetro en el valor predeterminado de 10, a menos que necesite clústeres más grandes (aumente el valor) o permita clústeres más pequeños (reduzca el valor).

Consulte los resultados. Si bien puede visualizar los polígonos en un mapa 2D, es posible que no vea los polígonos que están cubiertos por otros polígonos. Defina el relleno del símbolo a transparente, dejando solo los contornos, para ver los polígonos que, de otro modo, quedarían ocultos. Para una vista diferente, y posiblemente mejor, puede utilizar una escena 3D local para mostrar los polígonos en 3D (utilizando el atributo MIN_Z o MAX_Z agregado a la clase de entidad de salida).

Debería considerar eliminar los polígonos con áreas 2D pequeñas porque son en su mayoría ruido y añaden un gasto computacional innecesario para la representación en pantalla y el análisis. Puede hacerlo utilizando una combinación de la herramienta Seleccionar capa por atributo seguida de Eliminar entidades. Como punto de partida, pruebe con 6,0 metros cuadrados como tamaño de corte (se trata de la superficie mínima predeterminada utilizada por la herramienta Clasificar edificio de LAS).

También debe considerar la eliminación de los orificios en los polígonos. Se hacen muchos orificios porque una parte más alta de la cubierta está en medio de otra más baja. Cerrar el orificio de la parte inferior creará un aspecto más limpio cuando la parte superior se extruya a través de él. Sin embargo, existe el riesgo de eliminar orificios que deberían permanecer (por ejemplo, los que no tienen otras partes extruidas a través de ellos), por lo que debe hacerlo con cuidado. Puede utilizar Eliminar parte de polígono con la opción Eliminar solo partes contenidas. Una superficie de 25 metros cuadrados es un punto de partida razonable.

Parámetros de la herramienta de geoprocesamiento Edificios multiparche LAS

1. Entidades de entrada: utilice los polígonos de la parte de la cubierta generados por la herramienta de geoprocesamiento Extraer objetos de una nube de puntos.
2. Selección de puntos de cubierta LAS: indique qué puntos utilizar para las cubiertas. Si selecciona Puntos clasificados del edificio, la herramienta utilizará puntos de clase 6. Si sus datos utilizan un código o códigos de clase diferentes para los puntos de cubierta, asigne un filtro de capa utilizando el código o códigos correctos y seleccione la opción Puntos filtrados de la capa.
3. Resolución de muestreo: agrupa por bins los puntos de la cubierta y utiliza el punto más alto de cada bin. Estamos haciendo un TIN a partir de estos puntos y la triangulación para este TIN es 2D. No admite caras realmente verticales ni salientes. Los puntos clasificados de su cubierta pueden contener diferentes partes de la cubierta que se solapen entre sí.
4. Altura sobre el suelo: los límites de la parte de la cubierta se extruyen hasta el suelo. Este parámetro le permite elegir un DEM o atributo de los polígonos para obtener la altura sobre el suelo. Una forma de que los polígonos obtengan esa atribución es mediante el uso de la herramienta Agregar información de superficie. La ventaja de utilizar un atributo de altura en comparación con un DEM es que, si bien su cálculo tiene un cierto coste, la información puede reutilizarse repetidamente sin coste alguno. Cuando se utiliza un DEM como entrada, el cálculo para encontrar la altura sobre el suelo a partir del DEM se repite cada vez que se vuelve a ejecutar la herramienta.
5. Clase de entidad multiparche de salida: las envolventes de salida del edificio.
6. Tolerancia a la simplificación: antes de convertir el TIN de una cubierta en multiparche, puede generalizarse para reducir el número de nodos. Esto es deseable para beneficiar el rendimiento aguas abajo. La tolerancia es la diferencia de altura permitida entre el TIN generalizado y el original. Considere la posibilidad de utilizar un valor igual a la precisión vertical del LIDAR (por ejemplo, 10 cm).
7. Campo de altura mínima: hace referencia a un atributo de la clase de entidades del polígono de entrada y se utiliza como filtro. Solo se utilizarán puntos iguales o superiores a este (y dentro del polígono). Esto filtra los datos de los clústeres que pueden estar por encima o por debajo del clúster que generó el polígono. Especifique el campo MIN_Z que se generó con la herramienta Extraer.
8. Campo de altura máxima: hace referencia a un atributo de la clase de entidades del polígono de entrada y se utiliza como filtro. Solo se utilizarán puntos iguales o inferiores a este (y dentro del polígono). Esto filtra los datos de los clústeres que pueden estar por encima o por debajo del clúster que generó el polígono. Especifique el campo MIN_Z que se generó con la herramienta Extraer.

Si sus datos tienen edificios clasificados de forma que incluyen desorden en los tejados y puntos laterales del edificio, y esto causa problemas, intente hacer una copia de un área de prueba y, como experimento, rehaga la clasificación de edificios utilizando la herramienta de geoprocesamiento Cambiar códigos de clase de LAS para restablecer la clase de edificio a 1 seguida de la herramienta de geoprocesamiento Clasificar edificio de LAS.

Experimente con Clasificar puntos por encima de la cubierta en los multiparches. La herramienta de geoprocesamiento Clasificar edificio de LAS tiene una opción para colocar los puntos por encima de la cubierta en la clase 6 o en otra diferente. Lo más flexible es colocarlos en una clase personalizada e incluirlos opcionalmente con la herramienta de geoprocesamiento Extraer objetos de una nube de puntos.

Esta herramienta le permite utilizar varias clases de entrada y tratarlas como una sola asignándoles el mismo Id. de grupo de salida. Los puntos con el mismo Id. de grupo se tratarán como la misma clase en beneficio del clústering. Si incluye puntos de la sobrecubierta con la herramienta de geoprocesamiento Extraer objetos de una nube de puntos, tiene sentido incluirlos con la herramienta de geoprocesamiento Edificios multiparche LAS. Para ello, active solamente los puntos del edificio y de la cubierta en la capa del dataset de LAS y, a continuación, elija utilizar los puntos filtrados de la capa con la herramienta. También puede tratar la sobrecubierta como su propia clase para extraer. Si se mantienen separadas de las demás partes de la cubierta, se distinguirán mejor visualmente porque tendrán lados verticales. También podrá activarlas y desactivarlas independientemente de las demás partes del edificio.

Pruebe a utilizar las propiedades de capa 3D y la extrusión para mostrar los polígonos extraídos de la parte de la cubierta. Sin los puntos LIDAR, estos tendrán partes superiores planas, pero todos mostrados en combinación pueden parecer razonables desde la distancia y eficientes en el renderizado debido a su relativamente bajo número de vértices. Una ventaja adicional de utilizar Agregar Información de superficie entre los polígonos extraídos de la parte de la cubierta y un DEM, para agregar la altura del suelo como un atributo a los polígonos, es que entonces se puede calcular la altura del edificio relativa sobre el suelo (los polígonos de la parte de la cubierta ya tendrán un MAX_Z que proviene de los clústeres de puntos) y utilizarlo para simbolizar las partes del edificio.

Agradecimientos de la fuente de datos LIDAR:

• Gráficos 1, 3: Instituto Nacional de Información Geográfica y Forestal de Francia
• Gráficos 4, 7: Rijkswaterstaat de los Países Bajos, Ministerio de Infraestructuras y Gestión del Agua
• Gráfico 5: USGS Lidar Central Eastern Massachusetts