Aspekty tworzenia Numerycznego Modelu Terenu na podstawie skaningu laserowego LIDAR prof. dr hab. inż.. Andrzej Stateczny mgr inż.. Krzysztof W. Łogasz
Numeryczny Model Terenu podstawowe pojęcia NMT pol. Numeryczny Model Terenu DEM - ang. Digital Elevation Model Numeryczny model pokrycia terenu DSM ang. Digital Surface Model Numeryczny model rzeźby terenu DTM ang. Digital Terrain Model 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 2/55
L I D A R 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 3/55
Zalety Dokładno adność i szybkość pomiarów. Koszt pozyskania danych z terenu (wykres obok). Pomiar rzeźby terenu na obszarach niedostępnych dla innych metod pomiarowych (tereny z gęstą roślinno linnością lub zalane wodą). 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 4/55
Ograniczenia i wady LiDAR jest w dużym stopniu zależny od pogody, zakłócenia powodują m.in.: Opady deszczu lub śniegu, mgła, duża a wilgotność powietrza, mała a wysokość chmur. Skondensowane zanieczyszczenia powietrza (chmury dymu, smog). Zbiorniki wodne lub ośrodki o o znacznej wilgotności (muł,, błoto) b - za wyjątkiem systemów w batymetrycznych. CDN 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 5/55
Ograniczenia i wady Efekt absorpcji powodują również: : asfalt, smoła, węgiel. w Silny wiatr - czynnik ten ma wpływ wyłą łącznie na stabilność lotu samolotu, co pośrednio wpływa na jakość pomiarów. Pomiary batymetryczne: zanieczyszczenia wody, duże stęż ężenie mikrofauny/mikroflory, głęg łębokość akwenu ponad 50 metrów. Duże e rozmiary plików w z danymi pomiarowymi (TB). 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 6/55
Przykłady zastosowań Lidar z laserem pozwalającym zmieniać długość fali emitowanego światła, a, zainstalowany na pokładzie samolotu, pozwala na dotarcie wiązki do powierzchni gruntu w terenie: trudno dostępnym, podmokłym / zalanym wodą, z gęstg stą roślinno linnością. Pozyskiwanie danych topograficznych, z wymienionych powyżej obszarów, należy y do najczęś ęściej wykonywanych zadań przez systemy LiDAR. 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 7/55
Topografia terenu 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 8/55
Dno akwenu 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 9/55
Rafa koralowa 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 10/55
Wizualizacja 3D (DSM + ortofotomapa) 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 11/55
Wykorzystanie danych lidarowych do budowy NMT Dane LiDAR Dane LiDAR Wizualizacja 3D Wizualizacja 3D punktów punktów Klasyfikacja obiektowa Klasyfikacja obiektowa punktów punktów TIN TIN Wizualizacja 3D Wizualizacja 3D TIN TIN Interpolacja punktów Interpolacja punktów Wizualizacja 3D Wizualizacja 3D Grid Grid Mapa Mapa nachylenia nachylenia Mapa Mapa cieniowana cieniowana Mapa Mapa ekspozycji ekspozycji 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 12/55
Założenia badań Lp. Metoda Parametr Ustawienia Ilość pkt. Oczko [m] 1 Triangulacji - - 0.5, 1, 3, 5, 10 2 Naturalnego sąsiada - - 0.5, 1, 3, 5, 10 3 Odwrotnych odległości potęga 1, bez wygładzania 8, 16, 24, 32 0.5, 1, 3, 5, 10 4 Odwrotnych odległości potęga 2, bez wygładzania 8, 16, 24, 32 0.5, 1, 3, 5, 10 5 Odwrotnych odległości potęga 3, bez wygładzania 8, 16, 24, 32 0.5, 1, 3, 5, 10 6 Krigingu wariogram liniowy 8, 16, 24, 32 0.5, 1, 3, 5, 10 7 RBF funkcja bazowa multiquadric 8, 16, 24, 32 0.5, 1, 3, 5, 10 8 RBF funkcja bazowa inverse multiquadric 8, 16, 24, 32 0.5, 1, 3, 5, 10 9 Zmodyfikowana Sheparda bez wygładzania - 0.5, 1, 3, 5, 10 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 13/55
Struktura zbiorów w danych wzorcowych i symulowanych Lp. Typ danych Rozkład danych Domena Ilość pkt. [szt.] Gęstość [pkt/m 2 ] 1 Wzorcowe Regularny 100x100= 10 000 m 2 200x200=40 000 (0.5x0.5m) 4.00 2 Skanowanie jednokrotne Regularny 100x100= 10 000 m 2 50x50=2 500 (2x2m) 0.25 3 Skanowanie wielokrotne Rozproszony 100x100= 10 000 m 2 5 000 0.50 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 14/55
Powierzchnia wzorcowa 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 15/55
Dane symulowane dla skanowania jednokrotnego 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 16/55
Dane symulowane dla skanowania wielokrotnego 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 17/55
Opracowanie danych symulowanych W wyniku przyjętych do badań dwóch zbiorów w danych symulowanych, dla skanowania jednokrotnego i wielokrotnego, powstało o w sumie 270 wariantów obliczeniowych: Metody bezparametrowe: 2{typy danych} x 2{metody} x 5{wielkości oczka} = 20 Metody parametrowe: 2{typy danych} x 6{metod} x 5{wielkości oczka} x 4{ilość punktów} + 2{typy danych} x 1{metoda} x 5{wielkości oczka} = 250 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 18/55
Opracowanie danych symulowanych Dla każdego wariantu obliczano/rejestrowano następuj pujące wartości: - błąd d maksymalny (E max), - błąd średni (E mean), - czas obliczeń. 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 19/55
Kryteria oceny efektywności Dokładno adność odwzorowania Wyznacznikiem tego kryterium była a wartość błędu maksymalnego (E max) i średniego (E mean), które sąs jednymi z podstawowych parametrów w występuj pujących w warunkach technicznych projektów w z zakresu numerycznych modeli terenu. 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 20/55
Kryteria oceny efektywności Właściwości metod - interpolowanie wysokości poza wartości z przedziału punktów w pomiarowych, - interpolacja danych na obszarach z brakiem punktów pomiarowych, - uwzględnianie charakterystycznych szczegółów w rzeźby terenu. Ocena wizualna Kryterium oceniające powierzchnie pod względem występowania zniekształce ceń i braku ciągłości powierzchni. 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 21/55
Wyniki Oczko [m] Metoda Parametr Ilość pkt. E max ( * ) [m] E mean ( * ) [m] Zmodyfikowana Sheparda bez wygładzania - 0,032 0,023 0,003 0,003 0.5 RBF funkcja bazowa multiquadric 32 0,240 0,204 0,005 0,005 Krigingu wariogram liniowy 32 0,315 0,264 0,006 0,006 Zmodyfikowana Sheparda bez wygładzania - 0,025 0,023 0,005 0,005 1 RBF funkcja bazowa multiquadric 32 0,135 0,090 0,006 0,006 Krigingu wariogram liniowy 32 0,184 0,133 0,008 0,008 Zmodyfikowana Sheparda bez wygładzania - 0,161 0,162 0,030 0,030 3 RBF funkcja bazowa multiquadric 32 0,165 0,165 0,031 0,031 Krigingu wariogram liniowy 32 0,173 0,170 0,033 0,032 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 22/55
Wartości błędu maksymalnego (E max) - skanowanie wielokrotne 0,45 0,4 0,35 0,3 metoda krigingu metoda RBF zmod. met. Sheparda 0,315 0,442 0,437 0,436 [m] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,240 0,184 0,135 0,173 0,165 0,161 0,05 0 0,032 0,025 0.5 m 1 m 3 m 5 m 10 m 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 23/55
Zmodyfikowana metoda Sheparda (bez wygładzania adzania) wartości E max i E mean 0,45 0,4 0,436 1,596 0,35 0,3 E max E mean 0,319 [m] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,161 0,081 0,032 0,025 0,005 0,030 0,003 0.5 m 1 m 3 m 5 m 10 m 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 24/55
Metoda RBF (multiquadric,, 32/16pkt.) wartości E max i E mean 0,45 0,4 0,35 0,3 E max E mean 0,437 0,320 [m] 0,25 0,2 0,15 0,240 0,135 0,165 0,1 0,05 0 0,082 0,005 0,006 0,031 0.5 m 1 m 3 m 5 m 10 m 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 25/55
Metoda krigingu (wariogram liniowy, 32/8pkt.) wartości E max i E mean 0,45 0,4 0,35 0,3 0,315 E max E mean 0,442 1,599 0,327 [m] 0,25 0,2 0,15 0,184 0,173 0,1 0,05 0 0,084 0,008 0,033 0,006 0.5 m 1 m 3 m 5 m 10 m 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 26/55
Wartości błędu maksymalnego (E max) - skanowanie wielokrotne 0,5 0,45 0,4 metoda krigingu metoda RBF metoda naturalnego sąsiada zmod. met. Sheparda 0,465 0,442 0,437 0,436 0,35 0,3 0,315 [m] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,240 0,151 0,184 0,135 0,118 0,204 0,173 0,165 0,161 0,05 0 0,032 0,025 0.5 m 1 m 3 m 5 m 10 m 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 27/55
Metoda naturalnego sąsiadasiada wartości E max i E mean 0,5 0,45 E max 0,465 0,4 E mean 0,389 0,35 0,3 [m] 0,25 0,2 0,204 0,15 0,1 0,151 0,118 0,098 0,05 0 0,015 0,041 0,012 0.5 m 1 m 3 m 5 m 10 m 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 28/55
Metoda RBF (multiquadric/1m) wartości E max i E mean 0,3 0,286 0,25 E max E mean 0,2 0,166 [m] 0,15 0,145 0,135 0,1 0,05 0 0,012 0,007 0,006 0,006 8 pkt. 16 pkt. 24 pkt. 32 pkt. E max 0,286 0,166 0,145 0,135 E mean 0,012 0,007 0,006 0,006 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 29/55
Metoda krigingu (wariogram liniowy/3m) wartości E max i E mean 0,3 [m] 0,25 0,2 0,15 0,212 0,192 0,181 E max E mean 0,173 0,1 0,05 0,039 0,036 0,034 0,033 0 8 pkt. 16 pkt. 24 pkt. 32 pkt. E max 0,212 0,192 0,181 0,173 E mean 0,039 0,036 0,034 0,033 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 30/55
Czasochłonno onność obliczeń (oczko 1m/skanowanie wielokrotne/maks. liczba pkt.) [s] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 2,17 3,45 1 2 3 4 5 6 7 8 1. metoda triangulacji, 2. metoda naturalnego sąsiadas siada 3. metoda odwrotnych odległości (potęga 1), 4. metoda odwrotnych odległości (potęga 2), 5. metoda odwrotnych odległości (potęga 3), 6. metoda krigingu (wariogram liniowy), 7. metoda RBF (funkcja bazowa multiquadric), 8. zmodyfikowana metoda Sheparda (bez wygładzania). 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 31/55
Obszar opracowania - mapa przeglądowa 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 32/55
Obszar opracowania - ortofotomapa 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 33/55
Obszar opracowania - dane lidarowe 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 34/55
Zmodyfikowana metoda Sheparda kontra metoda naturalnego sąsiada s siada 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 35/55
Numeryczny Model Rzeźby Terenu - opracowanie w ArcGIS 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 36/55
Numeryczny Model Rzeźby Terenu - opracowanie w Surferze 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 37/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 38/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 39/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 40/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 41/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 42/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 43/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 44/55
Wizualizacja 3D terenu - opracowanie w ArcGIS 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 45/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 46/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 47/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 48/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 49/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 50/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 51/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 52/55
15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 53/55
Wizualizacja 3D, DSM i DTM - opracowanie w ArcGIS 15.06.2007 r. Aspekty tworzenia NMT na podstawie skaningu laserowego LIDAR 54/55
Aspekty tworzenia Numerycznego Modelu Terenu na podstawie skaningu laserowego LIDAR K O N I E C prof. dr hab. inż.. Andrzej Stateczny mgr inż.. Krzysztof W. Łogasz