Компютърно моделиране на сгради след наземно лазерно сканиране

Ши Пу

Международен институт по геоинформационни науки и наблюдения на Земята

Еншеде, Холандия

Резюме

Представя се автоматичен подход за създаване на модели на сгради чрез използване на теренни лазерни позиции. Методът се основава на извличане на важни сградни характеристики от сегментите на „облак“ теренни точки. Тогава видимата геометрия на сградата се формира чрез свързване на полигони, извлечени от отделните сегменти. За невидимите части на сградата геометричните връзки произтичат на база видимите, както и на базата на данните за сградата. Накрая се получава триизмерен модел от комбинацията на директно свързаните полигони и предпоставките за невидимите части. Подходът дава висока технологичност, качество на детайла и прецизност.

І. Въведение

Моделирането на сгради е обект на изследване заради увеличения интерес към триизмерните модели от различни области, като градоустройството, строителството, опазване на околната среда, навигация и виртуален туризъм. Ръчното моделиране на сградите е много бавна процедура. Например се изисква да се премерят всички ръбчета по стената, за да се оформи фасада. Тази операция изисква много време при сложни фасади или при много на брой сгради. Ръчното моделиране също е доста неточно, защото визуалното измерване на геометрични характеристики (дължини, размери, площ) зависят от човека-оператор.

След доста години работа, много алгоритми бяха предложени по темата за автоматично моделиране на сгради. Универсално решение все още не е открито, като съществуват само частични решения с ограничен успех и в определена среда. Това е така, защото цифровото моделиране е единственият информационен източник, използван дълго време за изграждането, а все още е трудно да се оформи 3D визия на сграда от 2D чертеж-източник. Последните изследвания показват, че данните от лазерното сканиране са надеждна база за автоматичното визуално реконструиране на сградите. Сравнено с цифровата визуализация, въздушните и наземни лазерни сканирания дават изключителна 3D информация, позволяваща бързо и точно обхващане на геометрията на цялата сграда. В частност наземното лазерно сканиране предоставя много гъст „облак“-мрежа от точки по фасадите, което дава достатъчно суров материал, с който може да бъде автоматично създаден много детайлен 3D модел.

Ние предлагаме реверсивен модел на реконструиране на сградите, базиран на наземно лазерно сканиране в следната последователност:

1. Извличане на елементи – когато важни елементи на сградите (стени, врати, прозорци, т.н.) се определят и извличат.
2. Моделиране – извлечените елементи и геометрични форми (полигони, цилиндри, т.н.) се комбинират и оформят в геометрични модели.
3. Рафиниране – когато при необходимост моделите се проверяват и допълват с информация от други източници.
4. Материализиране – когато геометричните модели се покриват със съответния материал (камък, мазилка, стъкло) от цифрови снимки или база данни за материали.

Такъв е процесът на моделиращия етап. Тук представяме нашия подход за автоматичното моделиране на сгради при наземно лазерно сканиране. Втората част представя, как елементите на сградата се извличат от наземния лазерен „облак“ точки. Третата част доразвива моделирането на геометрията чрез напасване на отделните сегменти и преизчисляване на включените части. Някой изводи и препоръки са дадени в последната част.

ІІ. Извличане на елементи

Алгоритъмът на извличането на елементите на сгради при наземното лазерно сканиране е показан в (8). Този метод е усъвършенстван с прецизиране на ограниченията на елементите и добавяне на втори метод на извличане. Подходът започва със сегментация, при който лазерните точки се групират грубо спрямо равнината, на която принадлежат; след това всеки сегмент се проверява с предварително зададени ограничения за елементите, за да се определи какъв точно елемент от сградата представлява – стена, покрив, врата; накрая прозоречните елементи специално се извличат от местата в стените.

2.1 Сегментация

Има няколко алгоритми за сегментация, основани  на лазерните „облак“ точки (4, 5, 6, 9, 10). Избираме алгоритъма на повърхностно-растяща равнина от (10), като най-удобен  за сегментиране на равнинни повърхности. Даваме описание на този сегментиращ алгоритъм, защото е пряко свързан с предстоящите методи на извличане. Алгоритъмът на повърхностно-растяща равнина започва с избор на зърнеста повърхност. Зърнестата повърхност се състои от групи близко стоящи точки, принадлежащи на една равнина. Алгоритъмът избира произволна негрупирана точка и проверява за други близки точки, които лежат в равнината. Ако това е така, то имаме зърнестата повърхност; ако не – налага се избирането на друга точка. Зърнестата повърхност се разраства с близките си точки. Само точка на определено разстояние от зърнестата повърхност и по перпендикуляр на зърнестата равнина, образуваща праг, може да бъде прибавена и да помогне зърнеста повърхност да се разраства.

Фигура 1-горе дава наземно лазерно сканирана фасада. Цялата информация и картина  е от едно сканиране с наземен лазер „Leica“, разположен на метри от сградата. Гъстотата на точките е приблизително 500/м2. Фигура  1-долу дава резултатът по сегменти.

2.2 Ограничаване на характеристиките на елементите

Човек разграничава елементите на сградите, анализирайки техните характеристики, като размер, място, ориентация и предназначение. Те могат да бъдат зададени на машината, така че елементите и характеристиките да бъдат определяни автоматично.

Предлагаме списък с някой ограничения на характеристики в таблица1, показваща най-основните черти за отличаване на един елемент от друг. Не бива да се пропуска, Земята не е сграден елемент, но е важна за разпознаването на врати и стени например.

Таблица 1. ограничения на сградни характеристики (мерни единици: м; м2; градуси)

Дадените ограничения на елементите са доста груби. Първо, всички ограничения са без цифрови изражения, защото са семантично определени. Площта, размерът и направлението на всеки елемент са постоянни за всеки елемент, без значение къде се намират и колко гъст е „облакът“ от точки. Второ, самите ограничения са относително неопределени, което ги прави динамични. Например сегментът: „стена – голяма площ“. Винаги е вярно, защото стените винаги са по големи от вратите и еркерите, а също при наземното лазерно сканиране, стенните площи са винаги по-големи от покривните, поради факта, че заснемането на данните става от земята.

2.3 Разпознаване на елементите

Пет сградни елемента – стена, покрив, врата, еркер и прозорец, са определени и се извличат в този подход, поради убеждението, че са най-основните и важни при формирането на фасадата. Всеки сегмент се проверява на база характеристиките от таблица 1, за да се определи точно кой от четирите елемент представлява (стена, врата, покрив, еркер). Прозорците специално се извличат от дупките във стенния сегмент, след филтриране на отвори от врати и еркери (екструзии).

Понякога елементът е пресегментиран, което значи, че един елемент е разбит на повече сегменти, поради несвързаност на лазерните точки или грешно зададени  параметри за сегментиране. Пресегментирането може да бъде коригирано автоматично с проста геометрична проверка: ако два сегмента са в една равнина и са допрени, то алгоритъмът ги приема за пресегментирани и ги приравнява в един сегмент. Например стената на фиг. 1 е сегментирана на 2 части, от пресегментация. Те ще бъдат приравнени в една при моделиращия етап.

Фигура 2 показва резултатът от разпознаване на елементите по фасадата.

ІІІ. Моделиране на геометрията

Последователността в мисленето при моделиране на геометрията е следната: първо сглобяване на извлечените сегменти на елементите към някой прости геометрични форми като полигони, а след това ги обединява до окончателния модел на сграда. В същност, процедурата на моделиране на геометрията не е толкова проста, като сглобяване  и групиране. Така е защото:

1. Понякога сегментите на елементите съдържат непълна геометрична информация. Поради грешки в сканиране и сегментиране извлеченият елемент може да съдържа само част от точките на целия. Например, покривният сегмент на фиг. 3 е с отсъстваща долна част, поради блокирани от стреха лъчи на лазера. Прекият геометричен резултат ще е с празнина и на части (площ между зеления и жълтия контур в долна част, фиг. 3 -дясно)

2. Наземните лазерни точки са добри само за фасадата на сградата, което значи, че не дават геометрична информация за ляво, дясно, горе и отзад на стените, покрива и тавански прозорци. Трябва да се правят предположения за обемния изглед на сградата само по геометрията на фасадните части.

Познаването на строителството помага да се преодолеят тези проблеми. Например: знае се, че покривът трябва да пресече контура на стената така, че долният контур на покрива да е успореден и на същата височина с горния контур на стената. Знаем, че покривният прозорец е издатина върху ската на покрива, следователно има връзка между прозореца и неговата проекция върху ската. Тези пропуски могат да бъдат преодолени с наличните лазерни точки и познанията за сградата. Важните стъпки при етапа на моделиране на сградата са сглобяване на геометрията, приемания по геометрията и комбиниране.

3.1. Сглобяване на геометрията

Тръгвайки от презумпцията, че повечето повърхности в сградата са равнинни, ние се стараем да напаснем всички равнинни форми, като полигони, към всички сегменти на елементите. Но когато имаме криви повърхнини при някой сгради, все още не знаем как да се справим с тях. Трябват по-нататъшни разработки за връзките на криви повърхнини с равнинни повърхности, за да получим по-точни модели.

3.1.1. Стени

Като най-важен елемент при сградите стените дават очертание и на модела. Нашият scan-line алгоритъм първо очертава горните контурни точки от стенните сегменти; след това линиите на сегментите сглобяват контурни точки и оформят контура на сградата. Стъпките са :

–          избират се всички точки, където стенни и теренни сегменти се пресичат. Те оформят 2D контур на стената върху равнината на терена.

–          Изберат се подробни точки върху 2D контурната линия, като се сканира през 10 см стъпка. Дължината на стъпката е определена след серия експерименти. По-къса стъпка ще доведе до прекалени детайли на фасадната линия, а по-дълга – до пропуски. Така когато гъстотата на „облака“ от точки, по-специално в стенната част, е по-висок от 100/м2, може да се избира точка на всеки 10 см. Възможностите за сгъстяване на мрежата при наземния лазарен скенер е доста по -голяма от тези заложени минимални изисквания.

–          при една избрана точка се приемат всички приближени точки от средата на 5 см от стенния сегмент и се намира най-високата от окръжаващите я. Трябва да се намери най-високата точка в това обкръжение.

–          Повтаря се предхождаща стъпка, като се избират всички избрани точки, определят се като част от по-високи  точки от стенния сегмент и се групират за оформяне на 3D горния контур на стената (фиг.4)

–          Сканират се в 3D горен контур от ляво на дясно. Запазват се всички крайни точки, които са много далече от основните или водят до странни ъгли при тази 3D контурна линия.

–           Свързват се всички крайни точки за образуване на горна контурна линия на стената. Тогава се проектират най-лявата и най-дясната точка върху терена, за да се намерят крайщата на стената. Тези прави са вертикални и са основани на хипотезата, че стените на сградата са такива.

–          Задава се височина от основна равнина на 2D контурната линия, за да стане 3D, която е основната линия на стената.

–          Накрая цялостната сградна линия (фиг. 4 дясно) е съставена от горна формираща, лява формираща, дясна формираща и теренна формираща.

Фиг. 4 горе: горни контролни точки на фасадата; долу: сглобена фасада

3.1.2.Покриви и екструзии

В нашия подход всеки покрив и изменение е сегмент към нормален полигон, базиран на предположението, че повечето покриви/скатове имат геометрията на Quick Hull изпъкнали полигони. Вдлъбнатите полигонални форми са все още обект на разработка. Quick Hull алгоритъмът е най-вече приложим към изпъкналите полигонални форми в свързани равнини. Детайлни отговори  на алгоритъма се намират в (1). Фигура 5 показва сглобените резултати на покрив и козирки.

фиг.5

3.1.3. Врати и прозорци

Всеки сегмент на врата или прозорец се сглобява с минималната прилежаща клетка, основана на предположението, че повечето прозорци и врати са правоъгълници и са вертикални. Фигура 6 показва напасваните правоъгълници.

фиг.6

3.2. Предположение за затваряне на обеми

Както беше отбелязано, наземното лазерно сканиране може само да определи точки от фасадата. Затворената площ трябва из основи да е запълнена с лазерни засечки и знание за сградата, за да се получи обемен модел. За точност трябва да се вземе предвид следната информация: ляво, дясно, горе, долу и другите мерки и страни на сградата.

Първо построяваме равнина успоредна на равнината на стената. Тогава „придвижваме“ линията на съществуващата стена успоредно на определено разстояние. Резултатът е предполагаемата сградна задна стена, успоредна с моделираната фасада. Лявата, дясна, връхна и основна страна се генерират чрез свързване на съответните вертикали от заснетата външна стена и изчислените липсващи части в сянка. Стъпката може да бъде същата като при фасадата или променена спрямо план основи на сградата – 2D.

Части от покриви скрити от стрехи.

Приемайки хипотезата, че определената повърхност е в равнината на целия скат, полигонът се разпростира до момент, в който той пресича стенната равнина. С други думи, първо се конструира хоризонтална равнина на определена височина и след това се определя полигон, точно пресичащ вертикалните елементи, за да се очертае контурната покривна линия в план.

Липсващите части между екструзиите и опорните стени.

Когато се проектират завършени полигони върху основата на стени/покриви, следва свързване на вертикалите и проекциите им за получаване на завършен модел. Презумпцията е, че този метод работи при прости форми на „изпъкналост“ – капандури и др. Например, пряка проекция води до грешна геометрия при извличането на стълби, показано на фиг. 7. Понататъшните разработки на извличането на извънравнинни фигури ще прецизира приближенията.

фиг. 7

3.3 Резултат на моделирането

Фигура 8 показва окончателния резултат от моделирането на фиг. 1. Този модел носи в себе си двата основни типа моделиране – директен от заснемане и изчислен геометрически. Цялата процедура е отнела 3,5 минути, включително и сегментацията, разпознаването на елементи, простото сглобяване на геометрията и геометричните приемания. Без нито едно ръчно действие в целия процес. Суровият лазарен точков „облак“ има около 381000 точки, а окончателният модел има 80, резултат от работата с полигоните. Някой от сканиранията дублират отправни точки, затова не са записани повече от един път.

фиг.8

Този начин позволява най-точно моделиране на фасади, покриви, еркери, врати и прозорци, защото има наземна лазерна информация за реконструкция на уникалната геометрия на фасадите.

Появяват се грешки в следните случаи:

–          Лява, дясна, задна страна на стените. Поради невъзможността на наземния лазер да обхване тези точки, предполагането на позициите им при комбинирането носи грешки. Приближенията носят неточности.

–          При наличието на криви равнини при екструзиите на фасадата. Тези части не могат да се моделират, защото все още няма алгоритъм за сложни повърхности. Фиг. 9 дава друг пример. Стенната линия, покривът и част от прозорците са моделирани  перфектно.

фиг. 9

Други две грешки при моделиране са:

–          екструзираните форми не са точни. По тази фасада има две такива форми – покривни прозорци на ската и балконите на фасадата. Покривните прозорци нямат покрив, защото програмата не е научена засега на това. Балконите са прекалено изтеглена форма от фасадата – програмата все още не подкрепя толкова големи изнасяния от фасадата, като това води до грешки в дефинирането на фасадата.

–          Няколко отвора са разпознати като прозорци. И това е, защото не е обърнато внимание на прозорците до момента; от друга страна те са дефинирани, като „големи отвори при стенния сегмент, след филтрация на отвори от екструзии и врати“. Фигура 10 показва друг пример за некоректно моделиране. Освен грешно моделирани покривни прозорци, тентите също липсват в окончателния модел. Това е заради кривите повърхнини на тентите и геометрията на кривините, която все още е неусъвършенствана при моделирането.

фиг. 10

ІV. Обобщение и препоръки

Беше представено автоматичното моделиране на сгради на базата на наземно лазерно сканиране. Първо голяма група лазерни точки сегментира и оформя различни равнини, в които лежат и я определят. Следват основните характеристики на сградата, елементите (стени, врати, прозорци, покрив, издатини) да бъдат фиксирани в свои сегменти, проверени от системата при ограничаване на характеристиките за всеки сегмент. В процеса на моделирането система от полигони свързва отделните сегменти, после геометрично ги обобщава, допълнено със подразбирането на оператора за строителство и оформя крайния обем на продукта.

Две са основните препоръки:

Първо: този процес на моделиране е обратен на проектирането! И е сглобен от „снимки“. При сгради със сложна геометрия, разпознаването на елементите може да се провали, поради недостатъчна първоначална информация и познание за обекта. Концепцията за цялостен подход или азбучно познаване на обекта при неговото моделиране ще спомогне за усъвършенстването на системните възможности и самото моделиране.

Второ: използването на други бази данни ще помогне процесът на моделиране. Например план на основите ще даде пълен контур на сградата и ще бъде използван за по-лесно определяне на пресечни равнини по контурите на сградите, а това, комбинирано с лазерните засечки и сегменти, ще удостовери стенните и покривните линии.

spu@itc.nl