ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 2, с. 62-73
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ И ЦИФРОВОЙ АЭРОФОТОСЪЕМКИ ЛЕСНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
© 2013 г. И. М. Данилин1*, М. Н. Фаворская2
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Красноярск 2Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева, Красноярск
*Е-таИ: danilin@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 14.02.2012 г.
Лазерная локация, совмещенная с цифровой аэрофотосъемкой, является одним из приоритетных направлений для дистанционного мониторинга лесных земель. Данное направление опирается на современные технологии цифровой фотограмметрии и геоинформационных систем, а также на методы цифровой обработки и моделирования многомерных отраженных лазерных сигналов. Одной из основных задач данного направления при мониторинге лесных территорий является моделирование структуры леса и рельефа местности. Существующие системы моделирования земных поверхностей не учитывают специфики моделирования лесного покрова. Предлагаемые в настоящей статье подходы и вычислительные алгоритмы позволяют адекватно воспроизводить трехмерную текстуру земных покровов и лесной растительности на основе данных лазерной локации и цифровой аэрофотосъемки, при необходимости выполнять визуализацию природных эффектов (наложение снежного покрова, дождя, тумана), а также моделировать режимы освещенности сцен лесных территорий.
Ключевые слова: моделирование, лесные территории, воздушная лазерная локация, цифровая аэрофотосъемка
DOI: 10.7868/S0205961413020024
ВВЕДЕНИЕ
Моделирование структуры леса является одним из важнейших направлений в развитии методов дистанционного мониторинга лесных территорий, позволяет оценивать морфологические показатели лесных насаждений, прогнозировать динамику их развития и экологических ситуаций при воздействии природных и антропогенных факторов. Построение лесных ландшафтных сцен предполагает обработку двух типов синхронизированных данных — лазерной локации и цифровой аэрофотосъемки, и выполняется в виде последовательных этапов, каждый из которых является сам по себе сложной задачей моделирования.
На первом этапе выполняется построение цифровой модели рельефа (ЦМР) участка земной поверхности на основе данных лазерной локации (Chen, 2007; Медведев и др., 2007; Wulder et al., 2007; Данилин, Медведев, 2011; Чунина, Данилин, 2011). В современных географических информационных системах (ГИС) используются несколько типов ЦМР в зависимости от формы представления данных: с регулярным расположе-
нием точек на прямоугольных, треугольных и гексагональных сетках; с нерегулярным представлением точек; с изолинейным заданием точек (расположенных равномерно на изолиниях или с учетом их кривизны). Для построения трехмерных моделей рельефа используются такие методы, как интерполяция на основе минимальной кривизны, ближайшего окружения, триангуляции, регрессионных зависимостей, сферических сплайнов и т.д.
На втором этапе происходит текстурирование ЦМР (построение нижнего яруса лесной растительности), а также осуществляется визуализация деревьев (верхний ярус) как с использованием данных лазерной локации, так и данных цифровой аэрофотосъемки (Korpela, 2007; Данилин, Медведев, 2011).
На третьем этапе реалистичность созданной трехмерной (3D) ландшафтной модели достигается за счет "наложения" таких природных явлений, как дождь, туман, снег, моделирование дневной освещенности и т.п. (Смоленцева, Фаворская, 2009; Favorskaya et al., 2010).
Вместе с тем следует отметить, что на сегодняшний день не существует программного продукта, который бы отвечал всем требованиям комплексного ландшафтного моделирования лесных земель по данным лазерной локации и цифровой аэрофотосъемки.
В статье обсуждается комплексный подход реалистичного воспроизведения структуры лесного покрова и рельефа земной поверхности с визуализацией природных эффектов и режимов освещенности с использованием современных технологий компьютерного 3Э-моделирования в разработанном программном комплексе "Forest Modeling".
ОБЗОР МЕТОДОВ И СИСТЕМ
ЛАНДШАФТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Наиболее распространенным векторным методом интерполяции рельефа земной поверхности является триангуляция. Следует отметить, что применение триангуляции вызывает артефакты из-за невозможности получения производных различных порядков аппроксимируемых поверхностей, не обеспечивает выделение конкретных форм земной поверхности с характерными геоморфологическими параметрами. Однако в данной задаче такие ограничения не играют существенной роли, поскольку не требуется точного воспроизведения поверхности произрастания лесной растительности.
Метод "сферической квадроангуляции" позволяет создавать математическое описание рельефа, наиболее приближенное к реальной действительности, и идентифицировать известные типы поверхностей и структурных линий. Метод активно используется в 3D-картографии. Базовой единицей описания является математическая модель элементарной поверхности, выделяемая по геоморфологическим параметрам, являющимся непосредственными геометрическими характеристиками криволинейных объектов. В пределах элементарных поверхностей в заданных интервалах неизменными являются крутизна, экспозиция, протяженность, форма склонов и их морфологические характеристики, обусловливающие процессы перемещения водных, воздушных масс, климатических факторов (Плисенко, 2005). Однако в данной постановке задачи такая точность визуализации излишня. Растровая физическая модель гравитационного переноса уточняет 5-сплайную интерпретацию m-порядка, применяемую в методе "сферической квадроангуляции" (Пикин, 2005).
На рынке программного обеспечения имеются продукты, позволяющие выполнять автоматическое создание 3Э-моделей по данным лазерного сканирования, например: "TreesVIS" (ФРГ),
"Altexis", "ОРТОЛАЗЕР" (РФ), "EdgeWise", "Geokosmos 3D Modeler" (наземное и воздушное лазерное сканирование), однако визуализация 3D ландшафтных объектов в них не производится. В лучшем случае осуществляется замена объекта упрощенной 3D геометрической моделью кроны деревьев (в виде шара для широколиственных деревьев и в виде конуса для хвойных пород).
Для придания естественного вида на созданные ЦМР необходимо наложить "текстуры" — графические изображения, которые передают структуру, цвет и фактуру моделируемого объекта. Без текстур нельзя добиться реалистичного внешнего вида объекта, в данном случае модели лесной поверхности. Метод текстурирования "тайлами" получил широкое распространение в компьютерной области из-за очевидных достоинств — простоты и невысокой требовательности к вычислительным ресурсам компьютера. Суть данной технологии заключается в том, что участок полигональной сетки покрывается текстурными фрагментами — тайлами (tile) или наборами тайлов — тайлсетами (tileset) (Шикин, Боресков, 2001).
Для создания новой текстуры на основе существующих текстур, формирования плавного перехода между участками, покрытыми разными текстурами, и создания полупрозрачных текстур используется алгоритм альфа-смешивания (alpha-blending), при котором можно регулировать уровень прозрачности изменением значения альфа-канала текстуры. В результате получается требуемый эффект: новое изображение текстуры или комбинация имеющихся в наличии текстурных фрагментов. Такой прием дает возможность сделать изображение ландшафта уникальным в каждой области сцены, но он требует дополнительных вычислительных ресурсов. Также для увеличения быстродействия на экран выводится лишь малая часть ландшафта вокруг виртуальной камеры, что повышает производительность, но снижает дальность прорисовки и снижает общую реалистичность сцены.
Текстуры накладываются на объект с помощью так называемых текстурных координат. Текстурные координаты представляют собой пару чисел (u, v ), изменяющихся в пределах от 0 до 1, задаваемых в своей системе координат; при этом ось u направлена горизонтально вправо, ось v — вертикально вниз. Пара величин (u, v ) однозначно указывает на минимальный элемент текстуры, называемый "текселем" (texture element). Для каждой вершины минимального текстурного полигона определяются текстурные координаты и привязываются к некоторой области на текстурированном объекте в разработанном нами программном комплексе "Forest Modeling".
Создание ЗЭ-моделей лесных насаждений, также как и моделирование природных явлений, предполагает использование специфических приемов имитационного моделирования. Указанные два направления широко применяются в симуля-торах, компьютерных играх. При этом следует учитывать, что реалистичность моделирования достигается сложными алгоритмами, требующими значительных вычислительных ресурсов (Ши-кин, Боресков, 2001; Бауогзкауа й а1., 2010; Данилин, Медведев, 2011).
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗЭ-ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМНОГО ПОКРОВА ПО ДАННЫМ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ
Исследования, направленные на изучение возможностей и развитие дистанционных методов экологического мониторинга и прецизионного цифрового картографирования лесных территорий в режиме "реального времени" на основе лазерной локации и цифровой аэрофотосъемки, в последние годы активно развиваются и проводятся во многих странах мира (Remote Sensing ..., 2003; Korpela, 2007; Медведев и др., 2007; N^sset, 2007; Wulder et al., 2007; Straub et al., 2009; Favor-skaya et al., 2010; Gatziolis et al., 2010; Suvanto, Mal-tamo, 2010; Данилин, Медведев, 2011; Чунина, Данилин, 2011).
Информация, получаемая лидарами, содержит дальностные характеристики ландшафтных сцен, включающие сведения о непроницаемых объектах и частично проницаемых (дисперсных) объектах. Лесной покров в нашем случае можно считать частично проницаемым объектом, т.е. дисперсной структурой. При лазерной и цифровой аэросъемках местности возможно получение точек рельефа земной поверхности под пологом леса, на основе которых вначале строится, а затем интерполируется и визуализируется трехмерная топографическая поверхность (N^sset, 2007; Данилин, Медведев, 2011).
Данные лазерной локации представляются в виде облака
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.