Извлечение оболочки здания из лидарной аэросъемки

Этот документ представляет рабочий процесс, используемый для извлечения оболочки здания (внешней) из классифицированной лидарной аэросъемки. Подход объединяет точки крыши в различные ее части, создает нерегулярную триангуляционную сеть (TIN) для каждой части, вытягивает границу каждой части до земли и записывает выходные данные в класс объектов-мультипатчей. Затем для визуализации и анализа можно использовать представление внешней части здания на основе мультипатча.

Пример набора оболочек зданий, извлеченных из городской местности.

Преимуществом такого подхода является позиционная точность крыш, поскольку они создаются непосредственно из лидарных точек. Он также может моделировать некоторые необычные и уникальные формы крыш, поскольку не ограничивается небольшим набором типичных форм крыш. К недостаткам относятся зашумленные результаты при просмотре вблизи, закругленные, а не острые внутренние углы зданий, потенциально повышенное количество выходных вершин и отсутствие нескольких уровней детализации.

Существуют и другие подходы к извлечению оболочки здания. Один из них, например, разбивает крыши на разные части, прогнозирует тип крыши и высоту карниза для каждой из них и процедурно создает геометрию для этой части, записывая выходные данные в класс объектов-мультипатчей. Преимуществом такого подхода является четкая и простая геометрия. Недостаток в основном связан с вопросом позиционной точности. Смоделированная крыша может не очень хорошо соответствовать реальной крыше, хотя есть способы выявить проблемные здания и устранить их. Для дополнительной информации см. решение 3D Buildings.

Показаны стандартные типы крыш и примеры, использующие процедурный подход.

Оба варианта вытягивают края крыши/карниза вниз до земли, поэтому стены здания простые и вертикальные. Балконы и выступы в моделях не учтены.

Требования:

• ArcGIS Pro 3.3 или более поздняя версия
• Классифицированная лидарная аэросъемка крыш зданий
• Плотность точек не менее 4 ppm / интервал 0,5 м
• Растровая цифровая модель рельефа (ЦМР) для определения высоты поверхности Земли

Основные понятия

Этот подход использует точки на крыше для формирования геометрии оболочки здания. Шум над поверхностью крыши, такой как антенны, трубы, вентиляционные отверстия, вентиляторы и другое оборудование, связанное с отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха, может быть нежелательным. Боковые стороны зданий, как правило, создают негативные результаты, связанные с такими вещами, как балконы и выступающие части высотных зданий. Таким образом, точки, классифицируемые как здания, должны включать крышу, но исключать нежелательный шум и боковые точки зданий.

Точки на крыше кластеризуются в зависимости от 3D-расстояния. Это отделяет части крыши, расположенные на совершенно разной высоте друг от друга. Между ними будут опущены вертикальные стены.

.

Кластеризация на основе расстояния наиболее полезна для крупных сооружений в городских районах, поскольку в них, скорее всего, будут элементы, расположенные на совершенно разной высоте. Крыши, части которых соприкасаются друг с другом на общих стыках, как это чаще бывает в жилых домах на одну семью (таунхаусах), не будут располагаться в разных кластерах.

Показан вид поперечного сечения точек крыши с различными секциями, которые встречаются друг с другом. Следовательно, они будут объединены в один кластер крыши.

2D-граница каждого кластера используется в качестве части крыши и вытягивается до земли, образуя стены оболочки здания. Полигоны границ кластера, которые являются вогнутыми оболочками, определяются с использованием концепции, называемой альфа-формами. Ключевой параметр, определяющий, насколько плотно прилегает граница к кластеру, называется альфа-радиусом.

Слева направо, вид сверху вниз точки, заданной для части здания, соответствующей части выходного полигона крыши, выполненного с альфа-радиусом 0,5 м, и результат с использованием альфа-радиуса 1,0 м. Обратите внимание, что при меньшем альфа-радиусе некоторые углы получаются более острыми, в то время как при большем радиусе стороны здания получаются более четкими.

Границы различных кластеров для здания не совпадают четко, и это, возможно, является недостатком подхода, поскольку между частями имеются зазоры. Это не представляет особой проблемы, за исключением случаев просмотра с близкого расстояния.

Слева показан вид сверху вниз полигонов частей крыши здания, а справа - соответствующая оболочка здания в перспективе.

Хотя такой подход к построению оболочки здания имеет свои ограничения, результаты часто могут быть достаточными для выполнения работы и обеспечивать более точную аппроксимацию, чем методы, основанные на моделировании, основанном на типах крыш.

Рабочий процесс

Рабочий процесс начинается с использования инструмента геообработки Извлечь объекты из облака точек. Этот инструмент извлекает ограничивающие геометрии вокруг кластеров одинаково классифицированных точек. Используйте этот инструмент, чтобы получить 2D-контур для каждой части крыши, а также z-диапазон точек, которые ее образовали, для каждой части. Затем инструмент использует эти полигоны крыш в качестве входных данных для инструмента геообработки Мультипатчи зданий из LAS. Он создает TIN для каждой части, используя классифицированные точки зданий, которые также фильтруются по диапазону высот, связанному с частью крыши, и вытягивая границы TIN вниз до земли.

Примечание:

Чтобы сэкономить время, поэкспериментируйте с репрезентативным поднабором, чтобы получить представление о том, какой набор значений параметров будет подходящим для ваших данных, прежде чем применять его к более крупной коллекции.

Параметры для инструмента геообработки Извлечь объекты из облака точек

1. Входное облако точек - Входной набор данных LAS.
2. Коды классов для извлечения — Укажите, какой код класса представляет точки на крыше. Как правило, это класс 6. Вы можете сделать выходной Group ID по умолчанию таким же.
3. Выходные пространственные объекты - Выходной класс объектов.
4. Тип выходной геометрии - Вогнутая оболочка 2D.
5. Расстояние кластеризации — Это будет расстояние разделения по Z между кластерами. Разумными являются значения в диапазоне от 0,5 до 3,0 метров. Попробуйте начать с 1,5 метров. Цель состоит в том, чтобы точки, принадлежащие к части крыши, находились на указанном расстоянии друг от друга и, таким образом, кластеризовались как группа, в то время как разные части крыши будут находиться на большем расстоянии и, таким образом, кластеризуются отдельно.
6. Фактор Вертикального масштаба кластеризации - Начните со значения 1.0. Использование большего значения преувеличит влияние разницы высот между точками, в то время как меньшее значение уменьшит его. При использовании значения 0.0 высота больше не применяется, и кластеризация выполняется в 2D. Используйте значение 0.0, чтобы получить контур здания, а не отпечаток части крыши.
7. Рассчитать уникальный радиус для каждого объекта - Оставьте этот параметр отключенным по умолчанию, но с этим стоит поэкспериментировать. Если включить его, то, скорее всего, получатся более подробные границы каждого объекта. Несмотря на потенциальную пользу, это также может привести к увеличению шума в боковых стенах здания.
8. Альфа—радиус - Этот параметр контролирует, насколько точно границы выходных полигонов совпадают с кластерами точек, и он включен, когда предыдущий параметр выключен. Меньшие значения обеспечивают большую детализацию вдоль стен и вокруг внутренних углов здания, тогда как большие значения обеспечивают большую обобщенность, давая более гладкие стены. Попробуйте начать с 2-х метров.
9. Минимальное количество точек — Оставьте для этого параметра значение по умолчанию 10, если вам не требуются более крупные кластеры (увеличьте значение) или вы не хотите разрешить использование более мелких кластеров (уменьшите значение).

Просмотрите результаты. При отображении полигонов на 2D-карте вы можете не увидеть полигоны, которые перекрываются другими полигонами. Сделайте заливку символа прозрачной, оставив только контуры, чтобы увидеть скрытые полигоны. Для другого и, возможно, лучшего представления можно использовать локальную 3D-сцену для отображения полигонов в 3D (используя атрибут MIN_Z или MAX_Z, добавленный к выходному классу объектов).

Вам следует рассмотреть возможность удаления полигонов с небольшими 2D-областями, поскольку они в основном представляют собой шум и добавляют ненужные вычислительные затраты для отображения и анализа. Это можно сделать, используя комбинацию инструмента Выбрать слой по атрибуту и последующего Удаления объектов. В качестве отправной точки, попробуйте использовать размер предельного значения в 6 квадратных метров (это минимальная площадь по умолчанию, используемая инструментом Классифицировать здания в LAS).

Вам также следует рассмотреть возможность удаления отверстий в полигонах. Много отверстий делается из-за того, что одна более высокая часть крыши находится в середине более низкой части крыши. Закрыв отверстие в нижней части, вы создадите более четкий вид, когда верхняя часть будет вытягиваться через нее. Однако существует риск удаления отверстий, которые должны остаться (например, тех, через которые не вытягиваются другие части), поэтому делайте это осторожно. Можно использовать инструмент Удалить часть полигона с опцией Удалять только вложенные части. Площадь в 25 квадратных метров - разумная отправная точка.

Параметры для Инструмента геообработки Мультипатчи зданий из LAS

1. Входные объекты — Используйте полигоны частей крыши, которые были получены с помощью инструмента геообработки Извлечь объекты из облака точек.
2. Выбор точек крыши в LAS — Укажите, какие точки следует использовать для крыш. Если выбрать Классифицированные точки зданий, инструмент будет использовать точки класса 6. Если в данных используется другой код или коды класса для точек на крыше, назначьте фильтр слоя, используя правильный код или коды, и выберите опцию Отфильтрованные точки слоя.
3. Разрешение выборки - Объединяет точки крыши в бины и использует самую высокую точку в каждом бине. Мы создаем TIN из этих точек, и триангуляция для этой TIN будет 2D. Она не поддерживает по-настоящему вертикальные грани или выступы. Ваши классифицированные точки крыши могут содержать различные части крыши, которые перекрывают друг друга.
4. Высота земли — Границы части крыши вытянуты вниз до земли. Этот параметр позволяет выбрать ЦМР или атрибут из полигонов, чтобы получить высоту земли. Один из способов, которым полигоны могут получить такой атрибут, - это использование инструмента Добавить информацию поверхности. Преимущество использования атрибута высоты вместо ЦМР заключается в том, что, хотя его вычисление сопряжено с некоторыми затратами, эта информация может быть использована повторно без каких-либо затрат. При использовании ЦМР в качестве входных данных вычисление высоты земли из ЦМР повторяется при каждом повторном запуске инструмента.
5. Выходной класс объектов-мультипатчей — Выходные оболочки зданий.
6. Допуск упрощения — Перед преобразованием TIN крыши в мультипатч, она может быть генерализована для сокращения количество узлов. Это желательно для повышения производительности на последующих этапах. Допуск — это допустимая разница высот между генерализованной и исходной TIN. Рассмотрите возможность использования значения, равного вертикальной точности лидара (например, 10 см).
7. Поле минимальной высоты — Ссылается на атрибут во входном классе полигональных объектов и используется в качестве фильтра. Будут использоваться только точки, равные этому значению или превышающие его (и находящиеся внутри полигона). Это отфильтровывает данные из кластеров, которые могут находиться выше или ниже кластера, создавшего полигон. Укажите поле MIN_Z, которое было получено с помощью инструмента Извлечь.
8. Поле максимальной высоты — Ссылается на атрибут во входном классе полигональных объектов и используется в качестве фильтра. Будут использоваться только точки, равные этому значению или ниже него (и находящиеся внутри полигона). Это отфильтровывает данные из кластеров, которые могут находиться выше или ниже кластера, создавшего полигон. Укажите поле MIN_Z, которое было получено с помощью инструмента Извлечь.

Если в ваших данных здания классифицированы таким образом, что они включают шум на крышах и боковые точки здания, и это вызывает проблемы, попробуйте создать копию тестовой области и в качестве эксперимента повторно классифицировать здания, используя инструмент геообработки Изменить коды классов LAS, чтобы сбросить класс здания до 1, а затем инструмент геообработки Классифицировать здания в LAS.

Поэкспериментируйте с Классифицией точек над крышами в мультипатчах. Инструмент геообработки Классифицировать здания в LAS позволяет отнести точки над крышами к классу 6 или другому классу. Удобнее поместить их в пользовательский класс и при необходимости включить в инструмент геообработки Извлечь объекты из облака точек.

Этот инструмент позволяет использовать несколько входных классов и рассматривать их как один, присваивая им одинаковый выходной ID группы. Точки с одинаковым ID группы будут рассматриваться как один и тот же класс для целей кластеризации. Если вы включаете точки над крышами с помощью инструмента геообработки Извлечь объекты из облака точек, имеет смысл включить их с помощью инструмента геообработки Мультипатчи зданий из LAS. Это можно сделать, включив только точки зданий и над крышами в слое набора данных LAS, а затем выбрав использование отфильтрованных точек слоя с помощью инструмента. Также можно рассматривать точки над крышами как отдельный класс для извлечения. Если расположить их отдельно от других частей крыши, они будут визуально более различимы, поскольку у них будут вертикальные стороны. Также можно включать и выключать их независимо от других частей здания.

Попробуйте использовать свойства 3D-слоя и вытягивание для отображения извлеченных полигонов частей крыши. Без лидарных точек у них будут плоские вершины, но все они, отображаемые в сочетании, могут выглядеть приемлемо на расстоянии и быть эффективными для отображения из-за относительно небольшого количества вершин. Дополнительным преимуществом использования опции Добавить информацию поверхности между извлеченными полигонами частей крыши и ЦМР для добавления высоты земли в качестве атрибута к полигонам является то, что затем можно рассчитать высоту здания относительно земли (полигоны частей крыши уже будут иметь значение MAX_Z, полученное из кластеров точек) и использовать ее для обозначения частей здания.

Подтверждение источника данных лидара:

• Рисунки 1, 3: Французский национальный институт географической и лесной информации
• Рисунки 4, 7: Нидерланды, Рейксватерстаат, Министерство инфраструктуры и водного хозяйства
• Рисунок 5: Лидар USGS, центральный и восточный Массачусетс