Начало работы с данными лидара

В этом руководстве вы будете извлекать информацию из данных лидара. Лидар (Lidar – Light Identification, Detection and Ranging) – это технология получения и обработки информации дистанционного зондирования с помощью активных оптических систем (лазеров), использующих, в том числе, явления отражения света от поверхности Земли с проведением высокоточных измерений X, Y, Z координат. Набор таких точек называется облако точек. Лазерные импульсы, испускаемые лидаром, отражаются как от находящихся на поверхности земли, так и от находящихся над землей объектов: от растительного покрова, строений, мостов и т.д. Один излученный лазерный импульс может быть отражен обратно один раз (один обратный сигнал) при попадании на твердую поверхность, например, на крышу здания или на землю. Он также может отражаться несколько раз (несколько обратных сигналов), поскольку на пути к земле он сталкивается с несколькими отражающими поверхностями. Например, при попадании в дерево импульс может отразиться от нескольких листьев и небольших веток на разной высоте и, в конечном итоге, от земли. Все эти данные представлены в виде точек в облаке точек, предоставляя подробную и содержательную информацию о ландшафте. Более подробно о лидаре см. Что такое данные лазерной съемки?

Облако точек лидара

Для извлечения форм 3D-зданий из данных лидара, сначала вам необходимо классифицировать облако точек, идентифицировать точки, представляющие поверхность земли и здания в области интереса. Затем вы будете использовать точки, классифицированные как поверхность для построения ЦМР, которая будет представлять земную поверхность в виде непрерывного растра. Далее вы используете точки, классифицированные как здания, чтобы извлечь 2D-контуры зданий. И наконец, вы совместите эти элементы вместе, чтобы построить 3D-объекты зданий.

3D-объекты зданий

Примечание:

В этом руководстве рассматриваются основные моменты, связанные с технологией лидара: что такое лидарные данные, как создать набор данных LAS, как классифицировать облако точек, как получить из него цифровую модель рельефа (ЦМР), а также как извлечь 2D-контуры зданий и 3D-мультипатчи зданий.

Однако для администраций городов и других организаций, стремящихся создавать масштабируемые трехмерные базовые карты, Esri предлагает решение 3D Buildings. Это решение предоставляет ряд рабочих процессов, упрощающих создание и поддержку слоя 3D-зданий. Его применение демонстрируется в ArcGIS Lab Working with the ArcGIS Solution for 3D Buildings.

Загрузка и открытие проекта

Сначала вы скачаете проект, содержащий все данные, которые нужны для этого руководства и откроете его в ArcGIS Pro.

  1. Скачайте файл Building_Extraction .zip.

    Файл .zip загрузится на ваш компьютер.

  2. Найдите загруженный файл Building_Extraction.zip у себя на компьютере.
    Примечание:

    В зависимости от настроек браузера, вам могло быть предложено выбрать место для сохранения загружаемого файла. Большинство браузеров по умолчанию скачивают все в папку Загрузки.

  3. Щелкните файл Building_Extraction.zip правой кнопкой и извлеките куда-нибудь, где его потом будет легко найти, например, в папку Документы.

    Далее вы откроете этот проект в ArcGIS Pro.

  4. Запустите ArcGIS Pro. Если вам будет предложено, введите учетные данные для входа в ArcGIS.
    Примечание:

    Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.

  5. В ArcGIS Pro нажмите Открыть другой проект.

    Опция Открыть другой проект

  6. В окне Открыть проект перейдите к извлеченной папке Building_Extraction. Выберите Building_Extraction.aprx и щелкните OK.

    Откроется проект.

    Проект по умолчанию

    Проект содержит локальную 3D-сцену, центрированную на районе Туборг-Хавн в Копенгагене, Дания. Это реконструированный район смешанного назначения, расположенный на бывшей промышленной площадке пивоваренных заводов Туборг. Сцена включает Tuborg_Havn_Ortho_Photo.tif, аэрофотоснимок этой области, который вы будете использовать в качестве основы для этого руководства.

    Примечание:

    Снимок Tuborg_Havn_Ortho_Photo.tif и все данные этого руководства взяты с веб-сайта правительства Дании Styrelsen for Dataforsyning og Effektivisering.

    В ArcGIS Pro локальные сцены используются для отображения наборов данных 3D, у которых ограниченный пространственный экстент, например города, или, как в этом случае, район города. Данные для локальной сцены должны быть в системе координат проекции. Подробнее о локальных сценах и их отличии от глобальных сцен см. в документации по Сценам.

  7. Приблизьтесь, используя колесико мыши, и переместитесь к этой области. Изучите район Туборг-Хавн.

    Район включает в себя различные современные здания, порт для яхт и лодок, небольшие дома на западной и северной окраинах, а также участки, которые все еще находятся в стадии застройки на юго-восточной стороне.

    Примечание:

    Экстент ограничен, чтобы вы могли быстрее выполнять упражнения в руководстве. При решении реальной задачи вы можете обрабатывать район большего размера, а так же весь город.

    Далее вы подготовите и отобразите данные лидара.

Создание набора данных LAS

Лидарные данные облаков точек часто хранятся в формате файлов LAS. В этом руководстве данные района Туборг-Хавн распределены по двум файлам LAS. Вы соедините их в один набор данных LAS.

Примечание:

Для покрытия всей интересующей вас области часто используется несколько файлов LAS. Набор данных LAS может содержать столько файлов LAS, сколько необходимо для вашей области исследования.

Сначала вы найдете местоположение двух файлов облаков точек LAS.

  1. На ленте в верхней части окна щелкните вкладку Вид. В группе Окна щелкните Панель Каталог.

    Кнопка Панель каталог

    Появится панель Каталог.

  2. На панели Каталог разверните Папки, затем Building_Extraction, Tuborg_Havn_data и LAS_data.

    Развернутые папки

    PUNKTSKY_1km_6181_724.las и PUNKTSKY_1km_6181_725.las - это два файла LAS, которые целиком покрывают район Туборг-Хавн.

    Примечание:

    Эти два файла LAS взяты из проекта правительства Дании, в котором содержится лидарное покрытие на всю страну.

    Далее вы создадите набор данных LAS.

  3. Щелкните правой кнопкой набор данных LAS_data выберите Новый, затем Набор данных LAS.

    Опция Набор данных LAS

    Новый Набор данных LAS добавится в папку LAS_Data на панели Каталог, и имя набора данных станет редактируемым.

  4. Введите Tuborg_Havn и нажмите Enter.

    Расширение добавляется автоматически и элемент Tuborg_Havn.lasd появляется в списке.

    Tuborg_Havn.lasd - набор данных LAS, пока он пустой. Далее вы заполните его.

  5. Щелкните правой кнопкой мыши Tuborg_Havn.lasd и выберите Свойства.

    Опция Свойства

  6. В окне Свойства набора данных LAS щелкните вкладку Файлы LAS.
  7. В разделе Файлы Щелкните Добавить файлы.

    Кнопка Добавить файлы

  8. В окне Open перейдите к папке Tuborg_Havn_data и дважды щелкните папку LAS_data, чтобы открыть ее.
  9. Нажмите Shift и нажмите PUNKTSKY_1km_6181_724.las и PUNKTSKY_1km_6181_725.las, чтобы выбрать оба файла. Щелкните Открыть.

    Выбранные файлы LAS

    К списку добавлены два файла. В зависимости от значений в столбце Число точек в каждом файле LAS от 3 до 5 миллионов точек. Значение Расстояние между точками показывает, что среднее расстояние между точками около 0.3 метров.

    Значения Число точек и Расстояние между точками

  10. Перейдите на вкладку Общие.

    На этой вкладке суммирована общая информация по новому набору данных LAS. Здесь указано, что есть два файла LAS, в которых содержится 8127305 точек LAS. Экстент данных также обозначен, в горизонтальных (XY) и вертикальных (Z) единицах, которые выражены в метрах.

    Вкладка Общие в окне Свойства набора данных LAS

  11. Щелкните вкладку Статистика.

    Вкладка Статистика в окне Свойства набора данных LAS

    На этой вкладке, в разделе Коды классификации приведен список кодов классификации, которые назначены точкам LAS. Сейчас ни одна из точек не классифицирована, поэтому в списке только один код классификации Не назначен. Вы добавите новые классы, такие как Земля, Здания и Шум в этом руководстве.

  12. Щелкните вкладку Система координат.

    Система координат проекции - ETRS 1989 UTM Zone 32N. Это система координат исходных файлов LAS, и она переходит в набор данных Tuborg_Havn.lasd. Вы будете использовать эту систему координат в этом руководстве.

    Система координат проекции для слоя Tuborg_Havn.lasd

  13. Щелкните OK, чтобы закрыть окно Свойства набора данных LAS.

Отображение и изучение набора данных LAS

Далее вы добавите набор данных LAS к сцене и изучите его. Вам не нужна ортофотография сейчас, поэтому вы ее отключите.

  1. В панели Содержание снимите отметку для слоя Tuborg_Havn_Ortho_Photo.tif, чтобы отключить его.

    Слой отключен

  2. В панели Каталог щелкните правой кнопкой мыши слой Tuborg_Havn.lasd и выберите Добавить к текущей карте.

    Опция Добавить к текущей карте

    Набор данных Tuborg_Havn.lasd появился на карте.

    Набор данных LAS района Туборг-Хавн

  3. На панели Содержание разверните слой Tuborg_Havn.lasd.

    Развернутый слой Tuborg_Havn.lasd на панели Содержание

    В легенде видно, что символы набору данных LAS назначены на основании высот точек. Самые нижние точки темно-фиолетовые, а самые высокие - ярко-красные. Теперь вы изучите облако точек в 3D.

  4. В сцене под колесиком Навигатор, щелкните Показать полное управление.

    Кнопка Показать полный контроль колеса Навигатора

    Колесико Навигатор увеличится для отображения всех возможностей 3D-навигации.

  5. Воспользуйтесь средним колесом Навигатора для наклона и поворота сцены.

    Наклоненная и повернутая сцена

    Подсказка:

    Вы можете также нажать C при перетаскивании сцены для перемещения или нажать V и перетаскивать - для ее наклона.

  6. Увеличивайте масштаб до тех пор, пока не увидите отдельные точки LAS.

    Масштаб сцены увеличится, и вы увидите отдельные точки LAS

  7. Уменьшайте масштаб, пока вы не увидите набор данных LAS в виде схемы.

    Сцена уменьшится, и вы увидите набор данных LAS в виде схемы.

    Схема идентифицирует экстент обоих файлов и максимальную высоту точек, которые в них содержаться.

  8. Продолжите, чтобы изучить набор данных облаков точек. Масштабируйте, наклоняйте, поворачивайте и перемещайте, и попробуйте распознать здания, деревья, землю и другие элементы ландшафта.
  9. На панели быстрого доступа щелкните кнопку Сохранить, чтобы сохранить проект.

    Сохранить на Панели быстрого доступа

    Подсказка:

    Если вы получите предупреждение о том, что проект был создан с использованием предыдущей версии ArcGIS Pro, щелкните Да, чтобы продолжить.

    Вы также можете нажать Ctrl+S, чтобы сохранить проект

Вы создали набор данных LAS, содержащий два файла LAS. Вы добавили слой на карту и начали его изучение. Далее вы классифицируете набор данных LAS, присвоив отдельные значения классов, такие как земля и здания.


Классификация набора данных LAS

Теперь вы классифицируете набор данных LAS в несколько классов, таких как поверхность земли и здания, при помощи инструментов, анализирующих положение и свойства точек облака, чтобы определить их принадлежность к определенному классу.

Примечание:

Некоторые облака точек LAS поступают от провайдеров уже классифицированными. В таком случае, пропустите все шаги классификации в данном рабочем процессе.

Классификация точек поверхности Земли LAS

Сначала вы измените символы, чтобы лучше визуализировать классы точек LAS.

  1. На панели Содержание проверьте, что выбран Tuborg_Havn.lasd. Щелкните правой кнопкой мыши Tuborg_Havn.lasd и выберите Приблизить к слою.

    Приблизить к слою Tuborg_Havn.lasd

  2. На ленте, на вкладке Слой набора данных LAS в группе Отображение, щелкните стрелку вниз Символы и выберите Класс.

    Опции класса

    Теперь символы показывают классификацию каждой точки. Поскольку все они еще не назначены, они обозначены серым цветом.

    На панели Содержание появится список возможных классов, но большинство из них в данный момент не используются в наборе данных LAS.

    Список классов

    Далее вы классифицируете точки поверхности Земли.

    Примечание:

    Иногда файлы LAS перекрываются в некоторых местоположениях из-за исходных линий полета воздушного судна, на котором были созданы данные. Поскольку дублирующиеся точки могут привести к созданию шумов, сначала их определяют при помощи инструмента Классифицировать перекрытие LAS, а затем выключают. Однако в этих данных перекрытий нет. Этот инструмент не нужно запускать.

  3. На ленте, на вкладке Вид в группе Окна щелкните Геообработка.

    Кнопка Геообработка

    Откроется панель Геообработка. Сначала вы примените инструмент Классифицировать поверхность Земли LAS.

  4. На панели Геообработка введите Классифицировать поверхность Земли LAS и щелкните в списке результатов Классифицировать поверхность Земли LAS, чтобы открыть его.

    Результаты поиска для Классифицировать поверхность Земли LAS

  5. В инструменте Классифицировать поверхность Земли LAS для Входной набор данных LAS выберите Tuborg_Havn.lasd.

    Параметры инструмента Классифицировать поверхность Земли LAS

  6. Примите установленные по умолчанию значения для остальных параметров и нажмите Запустить.
    Примечание:

    Для идентификации всех точек поверхности Земли в облаке точек LAS инструмент Классифицировать поверхность Земли LAS использует такую методику, как поиск наборов точек, которые находятся на неизменно самом низком уровне по всей сцене.

    По завершении процесса точки поверхности Земли LAS появятся в сцене, обозначенные коричневым цветом.

  7. Приблизьтесь и посмотрите, что точки коричневые точки появились в областях поверхности земли и не появились на зданиях, растительности или машинах и кораблях, которые остались неклассифицированными.

    Точки поверхности Земли LAS

    Некоторые точки, расположенные на поверхности воды, классифицированы как Земля. Однако в этом рабочем процессе вам не нужно отличать поверхность земли от воды, так что это не имеет значения.

  8. Отдалитесь, чтобы увидеть все облако точек LAS.
    Примечание:

    При классификации точек LAS исходный набор данных LAS изменяется. Если вы сделаете ошибку и вам нужно вернуть все обратно, вы можете использовать инструмент Изменить коды LAS-классов. Например, вы можете изменить точки с кодом 2 (Земля) на код 1 (Неназначено). Другим вариантом было бы заранее создать копию исходного набора данных для использования в качестве резервной копии.

Построение ЦМР

Теперь вы используете точки поверхности Земли LAS для построения ЦМР, которая пригодится в дальнейшем рабочем процессе. ЦМР представляет высоты поверхности Земли в виде непрерывного растра. Вы построите ЦМР при помощи инструмента Набор данных LAS в растр. Инструмент следует запустить только для точек поверхности Земли, поэтому вы выключите точки, которым до сих пор не присвоены значения классов.

  1. На ленте, на вкладке Слой набора данных LAS в группе Фильтры, щелкните Точки LAS.

    Кнопка Точки LAS

    В окне Свойства слоя на вкладке Фильтр LAS перечислены различные типы точек. Каждый тип можно включить или выключить. В Кодах классификации перечислены два доступных в данный момент класса: 1 Не назначено и 2 Земля.

  2. В окне Свойства слоя на вкладке Фильтр LAS в разделе Коды классификации снимите отметку с класса Не назначено, чтобы выключить все точки, принадлежащие этой категории, и щелкните ОК.

    Не классифицированные точки выключены

    Не классифицированные точки (серые) пропали с карты. Вы запустите инструмент Набор данных LAS в растр, чтобы построить ЦМР.

    Примечание:

    При запуске любого инструмента, принимающего в качестве входных данных набор данных LAS лидара, в обработке будут использоваться только точки, отображаемые на карте. Таким образом, в этом случае будут использоваться только точки Земли, а остальные точки будут игнорироваться.

  3. На панели Геообработка щелкните кнопку Назад.

    Кнопка Назад

  4. Найдите и откройте инструмент Набор данных LAS в растр.
  5. На панели инструмента Набор данных LAS в растр установите следующие параметры:
    • Для Входной набор данных LAS выберите Tuborg_Havn.lasd.
    • Для Выходной растр введите Tuborg_Havn_DEM.
    • Для параметра Тип интерполяции выберите Триангуляция.
    • Для Метода интерполяции выберите Естественная окрестность.
    • Для Значения выборки введите 0.5.

    Параметры инструмента Набор данных LAS в растр

    Предупреждением рядом с параметром Тип интерполяции можно пренебречь.

    Примечание:

    Точки Земли LAS предоставляют много информации о высотах поверхности земли, но в промежутках между ними высота не известна. Инструмент Набор данных LAS в растр использует математическую модель для вычисления (или прогнозирования) высот в этих неизвестных областях на основании значений существующих точек поверхности Земли. Этот процесс называется интерполяцией. Более подробно о различных опциях интерполяции можно узнать в документации инструмента Набор данных LAS в растр.

    Растр представляет собой сетку пикселов или ячеек. Параметр Значения выборки указывает размер каждой ячейки. Он должен быть больше расстояния между точками, которое составляет примерно 0.3 метра. Вы примените 0.5 м, которые были найдены методом проб и ошибок, чтобы получить наилучший результат в этом наборе данных (1 метр – еще один подходящий вариант). Все растры в данном руководстве используют этот размер ячейки.

  6. Примите установленные по умолчанию значения для остальных параметров и нажмите Запустить.

    По завершении процесса появится растр выходной ЦМР. Это сглаженная поверхность, где более темные точки представляют самые низкие значения высот, а более светлые – самые высокие значения.

  7. На панели Содержание выключите слой Tuborg_Havn.lasd, чтобы лучше видеть ЦМР.

    ЦМР на карте

    Поскольку Туборг-Хавн – это комплексный городской ландшафт, ЦМР показывает множество отклонений от обычного уровня улиц. Сюда относятся входы на подземные дороги или автостоянки, приподнятые уровни земли, на которых построены комплексы зданий, и уровень воды на стоянке для судов.

  8. Сохраните проект.

Классификация точек шума LAS

После определения точек поверхности Земли LAS следующим шагом будет указание точек шума среди оставшихся не назначенных точек. Точки шума соответствуют точкам с аномально большой или маленькой высотой, которые, возможно, являются результатом случайных ошибок в лидарных данных.

  1. На панели Содержание выключите растр Tuborg_Havn_DEM и включите слой Tuborg_Havn.lasd. Если необходимо, щелкните слой Tuborg_Havn.lasd, чтобы выбрать его.
  2. На вкладке Слой набора данных LAS щелкните Точки LAS. В появившемся окне Свойства слоя, под Кодами классификации, снимите отметку с класса Земля и включите класс Не назначено. Нажмите OK.

    Не классифицированные точки отобразились в сцене серым цветом.

    Не назначенные точки на карте

  3. На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите и откройте инструмент Классифицировать шум LAS.
  4. В инструменте Классифицировать шум LAS задайте следующие параметры:
    • Для Входной набор данных LAS выберите Tuborg_Havn.lasd.
    • Для Метода выберите Относительная высота от поверхности Земли.

    Параметры инструмента Классифицировать шум LAS

  5. Разверните раздел Выявление высот и введите следующие параметры:
    • Для Растр поверхности Земли выберите Tuborg_Havn_DEM.
    • Для Минимальной высоты введите -2.
    • Максимальную высоту оставьте пустой.

    Параметры Выявление высот на панели Классифицировать шум LAS

  6. Щелкните Запустить.

    Для идентификации высокого шума вы запустите инструмент снова, на этот раз, используя метод Абсолютная высота. Вы классифицируете любые точки с высотой больше 42 метров как высокий шум.

    Примечание:

    Высота зданий в районе Туборг составляет максимум 40 метров, поэтому в качестве максимального значения вы выбираете 42 метра. Вы можете проверить это, изучив облако точек LAS. Чтобы найти максимальную высоту здания, приблизьтесь и щелкните на самой высокой точке, которую видите. Во всплывающем окне имеется высота этой точки в метрах.

  7. В инструменте Классифицировать шум LAS для Метода выберите Абсолютная высота.
  8. В разделе Выявление высот, для Минимальной высоты удалить существующий текст. Для Максимальной высоты введите 42.

    Параметры инструмента Классифицировать шум LAS с Методом, установленным как Абсолютная высота

  9. Щелкните Запустить.

    Отдельные точки LAS теперь классифицированы как низкий и высокий шум, но их не видно, так как по умолчанию они выключены.

  10. На вкладке Слой набора данных LAS щелкните Точки LAS. В появившемся окне Свойства слоя, в разделе Коды классификации, включите классы 7 шум и 18 Сильный шум, выключите все остальные и щелкните OK.

    Поставлены отметки Низкий шум и Высокий шум в разделе Коды классификации в окне Свойства слоя

  11. Изучите район Туборг-Хавн, чтобы найти точки шума LAS, обозначенные красным.

    Например, некоторые точки высокого шума можно увидеть в южной части соседства. Похоже, они соответствуют строительным кранам.

    Шум на карте

    Вы отключите их для остального анализа.

  12. На вкладке Слой набора данных LAS щелкните Точки LAS. В появившемся окне Свойства слоя, в разделе Коды классификации, включите классы Не назначено и выключите все остальные. Нажмите OK.
    Примечание:

    На этом этапе вы можете выбрать создание еще одного растрового слоя, используемого во многих рабочих процессах ГИС: цифровой модели местности (ЦММ), которая показывает высоту земной поверхности, включая здания, деревья и другие объекты. Вы будете использовать инструмент Набор данных LAS в растр, как вы уже делали для создания ЦМР, но выберете другой поднабор точек для обработки. В окне Свойства слоя на вкладке Фильтр LAS в разделе Коды классификации вы поставите отметки везде, кроме опций Шум и Сильный шум, а в разделе Вернуть значения вы отметите окошко 1. Это означает, что вы будете учитывать только первые точки отраженных сигналов, поскольку они представляют собой самые высокие возможные точки каждого объекта ландшафта: верхушку здания, верхушку дерева, верхушку автомобиля, голую землю и т.д. При этом вы не будете включать ни одну из точек шума.

    Выбор точек первых отраженных сигналов

    В инструменте Набор данных LAS в растр вы выберете те же параметры, что и при создании ЦМР, за исключением Типа интерполяции, вы выберете опцию Биннинг для Присвоения значений ячейкам, Максимум и для Окрестность для заполнения пустот, Естественная окрестность. Пример анализа, в котором используется ЦММ см. в руководстве Оценка потенциала солнечной энергии.

Классификация точек зданий

Сейчас точки шума и поверхности Земли LAS классифицированы и выключены, и теперь вы можете классифицировать точки зданий.

  1. На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите и откройте инструмент Классифицировать здания в LAS.
  2. В инструменте Классифицировать здания в LAS установите следующие параметры:
    • Для Входной набор данных LAS выберите Tuborg_Havn.lasd.
    • Для Минимальной высоты крыши здания введите 2, с метрами в качестве единиц измерения.
    • Для Минимальной площади введите 10 с квадратными метрами в качестве единиц измерения.
    • Для Метода классификации выберите Агрессивный.

    Параметры инструмента Классифицировать здания в LAS

    Примечание:

    Инструмент Классифицировать здания в LAS использует сочетание методов для идентификации точек зданий. Важно, чтобы точки поверхности Земли и шума были отделены до запуска инструмента. Среди точек, которые остались неназначенными (те, которые не являются зданиями и шумом) инструмент определяет сплошные поверхности, где на лазерный импульс приходится только один отраженный сигнал. Напротив, области с множественными отраженными сигналами, скорее всего, будут представлять деревья или другую растительность, поскольку лазер достигает и отражается от нескольких уровней листвы.

    Параметры Минимальная высота крыши здания и Минимальная площадь важны, чтобы быть уверенными, что слишком низкая поверхность или поверхность слишком малой площади ошибочно не классифицировалась как здание.

    Метод классификации указывает, будут ли точки классифицироваться как здания консервативно или агрессивно.

    В этом руководстве значения параметров выбирались методом проб и ошибок, чтобы получить максимальное количество точек, правильно классифицированных как здания, при минимальном числе ложно положительных. Вы можете экспериментировать дальше самостоятельно. Рекомендуется сделать копию небольшой изучаемой области ваших данных, чтобы определить наилучшие параметры.

  3. Щелкните Запустить.
  4. Когда процесс будет завершен, на ленте, на вкладке Слой набора данных LAS, щелкните Точки LAS. В окне Свойства слоя, в разделе Коды классификации, включите класс 6 Здания, выключите все остальные и щелкните OK.

    Точки зданий появятся в сцене.

    Точки зданий на карте

    Примечание:

    У вас все еще много не классифицированных точек. Вы можете продолжить классифицировать точки дальше, например, определить точки, принадлежащие к классам Низкая, Средняя и Высокая растительность при помощи инструмента Классифицировать LAS по высоте. Однако информация о растительности не будет нужна для извлечения 3D-зданий, поэтому в этом руководстве вы не будете заниматься никакой дальнейшей классификацией.

  5. Сохраните проект.

Вы классифицировали лидарные точки облака как поверхность Земли, низкий шум, высокий шум и здания. Также вы построили ЦМР, представляющую высоты поверхности Земли в виде непрерывного растра. Далее вы используете точки зданий LAS для извлечения 2D-контуров зданий во всей области интереса.


Извлечение контуров зданий

Далее вы используете точки LAS, классифицированные как здания, чтобы извлечь 2D-контуры зданий. Вы начнете с построения растра, показывающего, где расположены точки зданий LAS. Затем вы построите полигоны там, где растр показывает наличие зданий. И наконец, вы прочистите полигоны, чтобы построить итоговый векторный слой контуров зданий.

Построение растра зданий

Эту часть процесса вы выполните на 2D-карте, так как вам не нужна функциональность 3D-отображения, которая требует для отображения больше ресурсов обработки. Вы конвертируете сцену в 2D-карту.

  1. Если необходимо, на ленте во вкладке Вид в группе Окна нажмите Панель Каталог.
  2. На панели Каталог разверните Карты. Щелкните правой кнопкой мыши Сцена укажите Конвертировать и выберите В карту.

    Опции В карту

    Появится новая 2D-карта с именем Scene_2D, содержащая слои из исходной 3D-сцены. Вы переименуете ее.

  3. На панели Каталог щёлкните правой кнопкой Scene_2D и щёлкните Переименовать. Введите 2D Map и нажмите Enter.

    2D Map появится в списке.

    Переименованная карта

  4. Убедитесь, что выбрана вкладка 2D Карта и, при необходимости, приблизьтесь, чтобы увидеть точки строений LAS.

    2D-карта

    В данный момент на карте показаны точки зданий LAS.

    Чтобы получить представление о том, как контуры зданий, которые вы будете создавать, соотносятся с реальными зданиями, вы включите ортофото.

  5. На панели Содержание включите слой изображения Tuborg_Havn_Ortho_Photo.tif.
  6. Если необходимо, на панели Содержание перетащите слой Tuborg_Havn.lasd в положение над Tuborg_Havn_Ortho_Photo.tif.

    Измененный список слоев

    Ортофотоснимок дает представление о том, как выглядят настоящие здания. Однако перспектива на фото может затруднить получение полного визуального сопоставления контуров зданий (или точек зданий LAS) и лежащих в основе зданий.

    Контур здания и нижележащее здание

    Далее вы построите растр, соответствующий местоположению точек зданий LAS. Вы сделаете это при помощи инструмента Статистика точек LAS как растр, который находит точки зданий LAS для каждой ячейки в растре. При наличии точек зданий значением ячейки является код класса зданий (6), а если точек зданий нет, ячейка останется пустой (NoData).

  7. Если необходимо, на ленте, на вкладке Вид в группе Окна щелкните Геообработка. При необходимости на панели Геообработка щелкните кнопку Назад.
  8. Найдите и откройте инструмент Статистика точек LAS как растр.
  9. На панели инструмента Статистика точек LAS как растр задайте следующие параметры:
    • Для Входной набор данных LAS выберите Tuborg_Havn.lasd.
    • Примите имя по умолчанию для Выходного растра.
    • Для Метод выберите Наиболее частый код класса.
    • Для Значения выборки введите 0.5.

    Параметры инструмента Статистика точек LAS как растр

  10. Щелкните Запустить.

    Появится выходной слой.

    Вы выключите набор данных LAS и измените символы растра, чтобы его было лучше видно.

  11. На панели Содержание выключите слой Tuborg_Havn.lasd.
  12. Переименуйте tuborg_laspo в Buildings_Raster.
  13. На панели Содержание щелкните правой кнопкой символ Buildings_Raster, разверните ниспадающий список, отметьте Показать названия и выберите цветовую схему Пурпурно-красный (плавный переход).

    Цветовая схема Пурпурно-красный (плавный переход)

    Растр станет розовым.

  14. Приблизьте и изучите некоторые из зданий на растре.

    Здания на карте

    Общая форма зданий точна, но имеются несколько отверстий в зданиях, а их границы имеют неправильную форму. Также некоторые розовые фигуры слишком малы, чтобы быть настоящими зданиями, их необходимо удалить. Вы исправите эти проблемы позже в рабочем процессе, а сначала конвертируете растр зданий в полигональный слой.

Построение класса объектов зданий

Вы конвертируете растр зданий в полигональный слой при помощи инструмента Растр в полигоны. Кластеры ячеек зданий на растре станут полигонами в новом слое.

  1. На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите и откройте инструмент Растр в полигоны.
  2. На панели инструмента Растр в полигоны задайте следующие параметры:
    • Для Входного растра выберите Buildings_Raster.
    • Для Выходных полигональных объектов примите имя по умолчанию.
    • Отключите Упростить полигоны.
    Примечание:

    Выбор опции Упростить полигоны может обеспечить базовую очистку полигонов. Вместо этого вы будете применять более сложные инструменты позже в рабочем процессе, чтобы получить более качественный результат.

    Параметры инструмента Растр в полигоны

  3. Щелкните Запустить.

    Появится новый векторный слой. Теперь вы можете выключить слой Buildings_Raster.

  4. На панели Содержание выключите слой Buildings_Raster, переименуйте новый векторный слой зданий в Buildings_Raw.
  5. Щёлкните правой кнопкой символ Buildings_Raw и выберите Фуксия.
    Подсказка:

    Чтобы увидеть название цвета, наведите на него курсор.

    Цвет Фуксия

    Символы слоя Buildings_Raw обновятся.

Очищение полигонов зданий

У вас имеются полигоны, представляющие контуры зданий. Однако их необходимо прочистить.

  1. Приблизьте и рассмотрите новый полигональный слой.

    Новый полигональный слой на карте

    Вы можете видеть те же проблемы, что и на растре зданий:

    • Некоторые полигоны слишком малы, чтобы соответствовать настоящими зданиями, их необходимо удалить.
    • В большинстве полигонов имеются отверстия.
    • Ребра зданий неправильной формы.

    В качестве первого шага в процессе очистки вы удалите самые маленькие полигоны. Вы начнете с определения предельного значения площади полигонов для удаления.

  2. На панели Содержание щелкните слой Buildings_Raw, чтобы выбрать его.

    Слой Buildings_Raw, выбранный на панели Содержание

  3. Щелкните на карте какие-нибудь крохотные розовые полигоны, чтобы открыть информационное всплывающее окно, и обратите внимание на значение атрибута Shape_Area, дающее представление об их размерах. Сделайте то же самое для зданий, которые вы хотите сохранить.

    В сплывающее окно с выделенным атрибутом Shape_Area

    На основании этих наблюдений вы выберете в качестве предельного значения площади 70 кв. метров. Далее вы выберете полигоны, площадь которых больше этого значения.

  4. Закройте Всплывающее окно.
  5. На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите и откройте инструмент Выбрать в слое по атрибуту.
  6. На панели инструмента Выбрать в слое по атрибуту для Входных строк выберите Buildings_Raw.
  7. В качестве Выражения введите Where Shape_Area is greater than or equal to 70.

    Выражение Where Shape_Area is greater than or equal to 70 на панели инструмента Выбрать в слое по атрибутам.

  8. Щелкните Запустить.

    Выбраны все полигоны, которые больше или равны 70 квадратным метрам.

    Выбранные здания на карте

    Далее вы удалите отверстия в полигонах зданий при помощи инструмента Удалить часть полигона. По наблюдениям вы можете сделать вывод, что отверстия площадью 50 квадратных метров или меньше должны быть закрыты.

  9. Пока выбраны большие полигоны зданий, на панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите и откройте инструмент Удалить часть полигона.
  10. На панели инструмента Удалить часть полигона задайте следующие параметры:
    • Для Входных объектов выберите Buildings_Raw.
    • Для Выходного класса объектов примите имя по умолчанию.
    • Для Площади введите 50 с квадратными метрами в качестве единиц измерения.

    Параметры инструмента Удалить часть полигона

  11. Щелкните Запустить.

    Появится новый векторный слой. Новые полигоны в основном без отверстий, и поскольку инструмент был применен только к выбранным большим полигонам, все маленькие полигоны исчезли.

    Чтобы лучше видеть новый слой, вы отключите слой Buildings_Raw.

  12. На панели Содержание выключите слой Buildings_Raw и переименуйте новый слой в Buildings_Clean.

    Слой прочищенных зданий на карте

    Далее вы сгладите границы зданий.

  13. На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите и откройте инструмент Упорядочить контуры зданий.

    Этот инструмент очищает неровные границы извлеченных полигонов зданий, подобных этим, и делает их более гладкими.

    Схема, показывающая, как сглаживаются неровные границы

  14. На панели инструмента Упорядочить контуры зданий задайте следующие параметры:
    • Для Входные объекты выберите Buildings_Clean.
    • Для Выходного класса объектов примите имя по умолчанию.
    • Для Метода оставьте Прямые углы.
    • Для Допуска введите 1.
    • Для Уплотнения введите 1.
    • Для Точности введите 0.15.

    Параметры инструмента Упорядочить контуры зданий

    Метод Прямые углы метод сфокусирован на создании зданий с точными прямыми углами. Другие опции, такие как Любые углы, могут лучше работать для больших зданий со сложной архитектурой, но могут не полностью упростить небольшие, более простые здания. Хотя вы не будете делать этого в данном упражнении, один из вариантов – запустить инструмент дважды, каждый раз с разными настройками и с разными выбранными зданиями.

    Допуск – это максимальное расстояние, на которые упорядоченный контур может отступать от границы его исходного объекта. Примерно двойной размер ячейки исходного растра (это 0,5 м в данном упражнении) – это хороший выбор в большинстве случаев.

    Уплотнение определяет интервал выборки, который будет использован для оценки того, будет ли упорядоченный объект прямым или искривленным.

    Точность задает точность сетки, используемой в процессе упорядочивания. Она может изменяться от 0.05 до 0.25, и это значение можно точно настроить методом проб и ошибок

  15. Щелкните Запустить.

    Появится новый векторный слой, показывающий упорядоченные полигоны зданий.

  16. На панели Содержание выключите слой Buildings_Clean и переименуйте новый слой в Building_Footprints.
  17. Сохраните проект.

Улучшение контуров зданий вручную

Слой Building_Footprints предоставляет контуры зданий, которые, в целом, являются точными. Имеются небольшие несовершенства, но в данном рабочем процессе о них не стоит беспокоиться. Однако для нескольких полигонов могут иметься серьезные проблемы, требующие исправления. Вы сделаете это, применив быстрое исправление вручную.

Во-первых, пара полигонов – это не здания, а приподнятые игровые площадки. Вы удалите их из слоя.

  1. Найдите группу зданий, выделенных на следующем изображении:

    Выделенные здания

    Два полигона в этой области – это приподнятые игровые площадки.

    Приподнятые игровые площадки на карте

  2. На ленте, на вкладке Редактирование в группе Выборка щелкните Выбрать.

    Кнопка Выбрать

  3. Щелкните полигон игровой площадки, чтобы выбрать его.

    Полигон игровой площадки, выбранный на карте

  4. На ленте во вкладке Редактировать в группе Объекты щелкните Удалить.

    Кнопка Удалить

  5. Если необходимо, щелкните Да в появившемся окне подтверждения Удалить.

    Полигон удален.

  6. На ленте на закладке Редактирование в группе Управление изменениями щёлкните Сохранить. Если запросят, щелкните Да в окне Сохранить изменения.

    Кнопка Сохранить

  7. На ленте на вкладке Карта в группе Навигация щелкните Исследовать, чтобы выйти из режима выборки.

    Кнопка Исследовать

    Далее вы исправите форму полигона. Иногда возникают проблемы, которые препятствуют успешному извлечению контура здания из лидарных данных, например, как на следующем изображении.

    Проблемный контур здания

    Проблема, по-видимому, в первую очередь возникла из-за элементов кондиционирования воздуха, которые защищены сеткой из металлических прутьев. Вы найдете этот полигон и измените его форму.

  8. Найдите здание, выделенное на следующем изображении и приблизьтесь к нему.

    Выделенный проблемный контур здания

  9. На ленте, на вкладке Редактирование в группе Инструменты щелкните Изменить форму.

    Кнопка Изменить форму

  10. Щелкните полигон на карте, чтобы выбрать его.
  11. Щелкните три точки, отмеченные на следующем изображении, чтобы изменить форму полигона.

    Отмеченные точки

    Примечание:

    Вы должны щелкнуть внутри полигона или точно на его ребрах, чтобы правильно изменить его форму. Вы можете включить замыкание, чтобы обеспечить замыкание курсора на существующем объекте.

  12. Дважды щелкните последнюю точку.

    Форма полигона изменена.

    Полигон с измененной формой

    Подсказка:

    Если вы допустили ошибку, нажмите Ctrl+Z и попробуйте еще раз.

  13. Сохраните изменения.
  14. На вкладке Редактирование в группе Выборка щелкните Очистить, чтобы снять выборку с полигона.

    Очистка группы Выборка на вкладке Редактировать

  15. На вкладке Карта в группе Навигация щелкните Исследовать, чтобы выйти из режима выборки.
  16. Закройте панель Изменить объекты.

    Вы можете продолжить прочищать другие здания, но в целях данного руководства вы перейдете к следующему шагу.

Оценка извлеченных контуров зданий

Чтобы оценить успешность извлечения контура здания, вы сравните его с базовой топографической картой, которая включает в себя контуры зданий, хотя они не могут быть использованы для целей анализа.

  1. На панели Содержание выключите слой Tuborg_Havn_Ortho_Photo.tif, чтобы увидеть базовую карту.
  2. При необходимости, щелкните слой Building_Footprints, чтобы выбрать его. На ленте на вкладе Векторный слой в группе Сравнить щелкните Спрятать.

    Инструмент Спрятать в группе Сравнить на вкладке Оформление

  3. Передвигайте шторку в разных направлениях, чтобы сравнить слой Building_Footprints с базовой картой.

    Инструмент Спрятать

    В целом, ваши контуры зданий, полученные с помощью лидара, очень похожи на контуры на базовой карте, что является хорошей проверкой рабочего процесса, только что завершенного вами.

  4. На ленте щелкните вкладку Карта и в группе Навигация щёлкните Исследовать, чтобы сделать инструмент Спрятать неактивным.
  5. Сохраните проект.

Вы построили класс объектов зданий и прочистили его при помощи инструментов геообработки и редактирования.


Извлечение реалистичных 3D-зданий

Теперь вы будете извлекать реалистичные 3D-здания из вашего набора данных LAS. Для этого вы используете все элементы, которые вы получили ранее: набор данных LAS, классифицированный как здания, ЦМР и класс контуров зданий. В результате вы получите слой мультипатчей, формат, .в котором можно хранить сложные векторные 3D- объекты.

Создание слоя мультипатч

Вы будете выполнять этот раздел в 3D-сцене, чтобы использовать 3D-представление зданий, поэтому сначала вы скопируете в сцену слой Building_Footprints.

  1. На панели Содержание щелкните правой кнопкой слой Building_Footprints и выберите Копировать.

    Опция Копировать

  2. Щёлкните вкладку Сцена, чтобы сделать ее активной.

    Вкладка Сцена

  3. В панели Содержание щелкните правой кнопкой Сцена и выберите Вставить.

    Опция Вставить

    Слой Building_Footprints добавлен к сцене. Далее вы будете создавать 3D-здания.

  4. На панели Содержание убедитесь, что слой Tuborg_Havn.lasd отключен.
  5. Восстановите панель Геообработка и, если необходимо, щелкните кнопку Назад.
  6. В панели Геообработка найдите и откройте инструмент Мультипатчи зданий из LAS.
  7. В инструменте Мультипатчи зданий из LAS задайте следующие параметры:
    • Для Входной набор данных LAS выберите Tuborg_Havn.lasd.
    • Для Входных объектов выберите Building_Footprints.
    • В строке Выборка точек крыш в LAS убедитесь, что выбрано Классифицированные точки зданий.
    • В разделе Высота земли оставьте Растровый слой и выберите Tuborg_Havn_DEM.
    • Для Выходного класса объектов мультипатчей примите имя по умолчанию.
    • Для параметра Допуск упрощения введите 0.5 и оставьте единицами измерения Метры.

    Для Допуска упрощения этот размер ячейки растра ЦМР вполне подходит.

    Параметры инструмента Мультипатчи зданий из LAS

  8. Щелкните Запустить.

    Появится выходной слой.

  9. На панели Содержание переименуйте новый слой в Multipatch_3D_Buildings и выключите все остальные слои, кроме него и базовой карты.

    Вы измените цвет мультипатчей 3D зданий для лучшего отображения.

  10. На панели Содержание для слоя Multipatch_3D_Buildings щелкните правой кнопкой символ и выберите цвет Пески Сахары.

    Цвет Пески Сахары

    Цвет зданий изменится

    Здания цвета Пески Сахары

  11. Изучите слой 3D-зданий и обратите внимание на множество архитектурных деталей.
    Примечание:

    Несмотря на то, что результаты этого рабочего процесса не всегда картографически привлекательны, позиционно они точны. Этот тип 3D-слоя может быть особенно полезен для выполнения такого анализа, как линия видимости или обоюдная видимость.

    Некоторые из зданий выглядят плавающими выше земной поверхности. Это происходит потому, что в качестве базового уровня земной поверхности использовался слой Tuborg_Havn_DEM. Так как слой Tuborg_Havn_DEM получен из высокоточных лидарных данных, он отображен более точно и несколько отличается от слоя по умолчанию WorldElevation3D/Terrain3D, на основе которого моделируется земная поверхность этой сцены в 3D.

    Вы добавите слой Tuborg_Havn_DEM к поверхностям высот сцены, и он будет использован для моделирования поверхности земли в районе Туборг-Хавн.

  12. На панели Содержание под Поверхности высот щелкните правой кнопкой Ground и выберите Добавить слой источника высот.

    Опция добавления источника высот

  13. В окне Добавить слой источника высот откройте Базы данных, затем - Building_Extraction.gbd, и щелкните tuborg_lasda. Нажмите OK.

    ЦМР добавлена в качестве нового источника высот земной поверхности, и сцена обновилась, чтобы ее использовать. Промежутки между землей и основанием некоторых зданий исчезли.

  14. Переименуйте новый источник высот в Tuborg DEM.

    Поверхности высот

  15. Сохраните проект.

Вы можете использовать слои мультипатчей 3D-зданий самыми разными способами. Их можно добавить к сцене для визуализации процессов городского планирования. Их можно использовать в анализе прогнозирования наводнений, анализе теневого воздействия, анализе обоюдной видимости и линий видимости и многом другом.

Рабочий процесс в этом руководстве сфокусирован на понимании принципов работы с данными лидара и процессе извлечения компонентов 3D-зданий. Чтобы пойти дальше и узнать, как создавать масштабируемые базовые 3D-карты, изучите ArcGIS lab Working with the ArcGIS Solution for 3D Buildings.

В этом руководстве вы выполнили извлечение 3D-зданий из лидарных данных. Вы создали набор данных LAS, классифицировали его, создали растр ЦМР и получили векторный слой контуров зданий. Затем вы использовали все эти элементы для получения векторного слоя мультипатчей зданий.

Вы можете найти больше учебных пособий в галерее учебных пособий.