«Δημιουργία 3D city model με λήψη LiDAR & ψηφιακών αεροφωτογραφιών στην περιοχή Καλοχωρίου, στα πλαίσια του έργου INDES-MUSA,

Transcript

1 «Δημιουργία 3D city model με λήψη LiDAR & ψηφιακών αεροφωτογραφιών στην περιοχή Καλοχωρίου, στα πλαίσια του έργου INDES-MUSA, Μπέττυ Χαραλαμποπούλου *1, Χαράλαμπος Μάνεσης 1, Κωσταντίνος Τσιβίκης 2, Αλέξανδρος Σαββαίδης 3, Κωσταντία Μάκρα 3, Αθανάσιος Γκανάς 4, Eμμανουήλ Ροβίθης 3 1 Geosystems Hellas A.Ε., 2 Geomatics A.Ε., 3 ΟΑΣΠ-ΙΤΣΑΚ, 4 Γεωδυναμικό Ινστιτούτο Αστεροσκοπείου Αθηνών * επικοινωνίας: b.charalampopoulou@geosystems-hellas.gr Περίληψη Στα πλαίσια του ερευνητικού έργου "INDES-MUSA: Καινοτόμο Πολυπαραμετρικό Δίκτυο Παρακολούθησης Παραμορφώσεων & Σεισμικής Κίνησης σε Πολεοδομικά Συγκροτήματα με έντονα φαινόμενα εδαφικών Καθιζήσεων", το οποίο μελετά την περιοχή του Καλοχωρίου, δυτικά από την Θεσσαλονίκη, εκτελέσθηκε πτήση λήψης δεδομένων LiDAR και πολύ υψηλής ανάλυσης αεροφωτογραφιών (RGB). Η πτήση LiDAR υλοποιήθηκε την Παρασκευή 2 Μαΐου 2014 βάση σχεδίου πτήσης πλήρους κάλυψης της περιοχής ενδιαφέροντος, ενώ η αεροφωτογράφηση πραγματοποιήθηκε στις 11/05/2014. Και οι δύο λήψεις έγιναν μετά από την έκδοση της απαραίτητης άδειας πτήσης από το Γενικό Επιτελείο Εθνικής Αμύνης. Ο τελικός προγραμματισμός βασίστηκε ειδικά για την αεροφωτογράφηση σε μετεωρολογικά δεδομένα λήψης και αξιολόγησης ανά 3 ώρες από το εργαστήριο Μετεωρολογίας του Πανεπιστημίου Αθηνών. Ο σχεδιασμός πτήσης και για τους δύο αισθητήρες έγινε με χρήση εξελιγμένου λογισμικού επιτρέποντας την καλύτερη προσαρμογή των γραμμών πτήσης βάση της περιοχής κάλυψης αλλά και του αναγλύφου. Το σύστημα διαχείρισης πτήσης και αισθητήρα παρείχε ακριβή καθοδήγηση στην πτήση, μέσω μιας διαισθητικής διεπαφής για τη λειτουργία του αισθητήρα και του ποιοτικού ελέγχου των δεδομένων κατά τη διάρκεια συλλογής των δεδομένων λέιζερ και των εικόνων. Με τη χρήση του αισθητήρα of Leica ALS60 Airborne Laser Scanner, Multiple Pulses in Air (MPiA) παράχθηκε μοντέλο επιφάνειας υψηλής πυκνότητας (DSM) και DTM σε 1x1 m απόσταση πλέγματος. Η διαδικασία για την επίλυση των τροχιών του LiDAR και τον υπολογισμό των point cloud είχε ως αποτέλεσμα να δημιουργήσει ρεαλιστικά 3D+ και Info Clouds που περιείχαν οριζοντιογραφική και υψομετρική πληροφορία ακριβείας. Ο συνδυασμός του DSM/DTM με τις έγχρωμες αεροφωτογραφίες που λήφθηκαν με την κάμερα αεροφωτογράφησης Z/I DMC δημιούργησε ορθοφωτοχάρτες ακριβείας. Οι αρχικές αεροφωτογραφίες είναι σε 1:1 χρωματική ανάλυση (RGB). Στην επεξεργασία αυτών μέσω των φωτογραμμετρικών λογισμικών και ροών εργασίας χρησιμοποίηθηκαν πλήρως τα δεδομένα GPS/INS. Οι αεροφωτογραφίες χρησιμοποιήθηκαν σε όλα τα στάδια της φωτογραμμετρικής ροής εργασίας αεροτριγωνισμού και ορθοαναγωγής σε μέγεθος εικονοστοιχείου 0.1m, κλίμακα ακριβείας μηχανικού κατασκευής. Η σωστή σταθεροποίηση των αισθητήρων σε γυροσκοπική βάση κατά τη διάρκεια της πτήσης εξασφάλισε την ακρίβεια και ποιότητα των δεδομένων, ανεξάρτητα από τον αισθητήρα που χρησιμοποιήθηκε. Κατά τη επεξεργασία χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα της 2 Μαΐου από τους δύο σταθμούς βάσης GPS/GNSS του έργου τα οποία καταγράφηκαν ταυτόχρονα με την πτήση LiDAR και 57 φωτοσταθερά (GCP s) τα οποία μετρήθηκαν με GPS/GNSS. Σχεδιάστηκε μια καμπάνια υπαίθρου για μέτρηση γωτοσταθερών σε πολύ πυκνή κλίμακα αλλά και σε καθαρές θέσεις σε όλη την περιοχή του Καλοχωρίου. Το 3D μοντέλο πόλης της ευρείας περιοχής που αποκτήθηκε από τα δεδομένα LiDAR θα επιτρέψει την κατάρτιση ενός τρισδιαστατου αποθετηρίου των κτιρίων και κατασκευών της περιοχής. Θα χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών όπως αυτές επηρεάζονται από την αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής στα πλαίσια ενός μελλοντικού σταδίου του έργου INDES-MUSA. Λέξεις κλειδιά: DSM; Info Clouds; αεροτριγωνισμός; ορθοαναγωγή; 1

2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Lidar (επίσης LIDAR ή LiDAR) είναι μία τεχνολογία τηλεπισκόπησης που μετρά αποστάσεις φωτίζοντας ένα στόχο με laser και αναλύει το ανακλώμενο φως. Αν και θεωρείται από μερικούς να είναι ένα αρκτικόλεξο της λέξης LIght Detection And Ranging,[1] ο όρος lidar δημιουργήθηκε από τους όρους "light" and "radar."[2][3] Το LiDAR χρησιμοποιείται ευρέως ως μια τεχνολογία παραγωγής υψηλής ανάλυσης χαρτών, με εφαρμογές γεωπληροφορικής, αρχαιολογίας, γεωγραφίας, γεωλογίας, γεωμορφολογίας, σεισμολογίας, δασοκομίας, τηλεπισκόπησης, φυσικής της ατμόσφαιρας, [4] airborne laser swath mapping (ALSM), λέιζερ υψομετρίας, και χαρτογράφησης ισοϋψών καμπύλων. Ιστορικό για τα LiDAR * Το πρώτο οπτικό λέιζερ αναπτύχθηκε το 1960 (Maiman, ΗΠΑ). Το πρώτο αερομεταφερόμενο λέιζερ απόστασης δοκιμάστηκε τη δεκαετία Ξεκίνησε να αναπτύσσεται από τις αρχές και μέσα του 1970, ιδιαίτερα στη νότια Αμερική, κυρίως για υδρογραφικές και βυθομετρικές εφαρμογές. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, η χρήση του GPS κατέστησε δυνατή την πραγματοποίηση μακρινών μετρήσεων με μεγάλη ακρίβεια με τη χρήση αερομεταφερόμενων λέιζερ. (Univ. of Stuttgart, Prof. Ackerman). Στις αρχές των 90s οι profilers αντικαταστάθηκαν από σαρωτές (ALS) και GPS σε συνδυασμό με IMU ISPRS Congress στη Βιένη: ο πρώτος ALS κατασκευαστής έδωσε κάποια δεδομένα προς ανάλυση : κοινή εργασία ISPRS Working Groups (WG) σε θέματα ALS. Ειδικές ανακοινώσεις σε ειδική έκδοση «Special issue of ISPRS Journal of Photo & RS» δίνουν τα πρώτα επιστημονικά δεδομένα. Ως το 2000: Το ALS αυξανόμενα χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές; αυξάνονται οι επιστημονικές μελέτες τα tests και οι μεθοδολογίες επεξεργασίας; Υπάρχει συνεχής εξέλιξη των συστημάτων ALS, συμπεριλαμβανομένων τεχνολογιών waveform digitizing (ειδικά από το 2004) και σύγχρονα διπλά ALS (από το 2006); Καλύτερα λογισμικά επεξεργασίας; Πιο πολλές εταιρίες με εξοπλισμό και πιο πολλοί χρήστες. Συχνά ο όρος LiDAR χρησιμοποιείται (ειδικά στις ΗΠΑ): Light Detection And Ranging * Emmanuel P. Baltsavias ETH presentations 2014 (Airborne Laser Technology, Data Processing and Applications, Institute of Geodesy and Photogrammetry ETH Zurich). Τα συστήματα LiDAR (Light Detection And Ranging) βασίζονται στην τεχνολογία της από αέρος σάρωσης του εδάφους με ειδικούς δέκτες εφοδιαμένους με σαρωτές laser. Οι σαρωτές laser μέσω της μέτρησης του χρόνου μετάβασης και επιστροφής μιας δέσμης laser, σε συνδυασμό με ένα αδρανειακό σύστημα γεωαναφοράς παρέχουν την δυνατότητα προσδιορισμού των συντεταγμένων Χ, Υ, Ζ ενός νέφους σημείων επι του εδάφους. Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας εναέριας καταγραφής μας παρέχει την δυνατότητα δημιουργίας Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους με εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα πληροφορίας και ακρίβεια. Στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος INDES-MUSA στο οποίο συμμετέχουν η Geosystems Hellas A.E. ως συντονιστής, ο Οργανισμός Αντισεισμικού Σχεδιασμού και Προστασίας - Ινστιτούτο Τεχνικής Σεισμολογίας και Αντισεισμικών Κατασκευών και το Γεωδυναμικό Ινστιτούτο του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, προγραμματίσθηκε λεπτομερής χαρτογράφηση της περιοχής Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης μέσω σάρωσης με δέκτη LiDAR και αεροφωτογράφησης υψηλής ανάλυσης προκειμένου να δημιουργηθεί ένα υψηλής ακρίβειας χαρτογραφικό υπόβαθρο το οποίο θα περιλαμβάνει δύο περιόδους καταγραφών προκειμένου να είναι εφικτή η σύγκριση των δεδομένων και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την γεωλογική / γεωδυναμική συμπεριφορά της περιοχής έρευνας. Στόχος του έργου είναι η παραγωγή ενός υψηλής ακρίβειας Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους / Επιφανείας (DTM/DSM) σε συνδυασμό με υψηλής ανάλυσης ορθοφωτοχάρτες. 2

3 Το LiDAR δίνει αποδεδειγμένα λύση για τη δημιουργία γρήγορων και μεγάλης ακρίβειας μοντέλων εδάφους και επιφάνειας. Η τεχνολογία είναι βασισμένη σε ένα λέιζερ σάρωσης σε συνδυασμό με GPS και αδρανειακής τεχνολογίας για τη δημιουργία αρχείων χαρτών τριών διαστάσεων σημείων (point cloud). Στο πλαίσιο του έργου INDES MUSA ( η ομάδα μας έχοντας την εμπειρία και τη γνώση της χρήσης του αερομεταφερόμενου σαρωτή λέιζερ Leica ALS60, βάση σχεδίου πτήσης που ενημερώθηκε και από το ανάγλυφο της περιοχής ενδιαφέροντος από προυπάρχοντα δεδομένα, κατάφερε να εκτελέσει την πρώτη πτήση και με χρήση GPS/INS, να συλέξει τα απαραίτητα φωτοσταθερά με συνεργεία εργασίας πεδίου και με τελική επεξεργασία στο γραφείο, έτσι ώστε από ένα σύνολο πρωταρχικών δεδομένων LiDAR να δημιουργηθεί ένα τελικό προιόν χάρτη LiDAR εδάφους DTM και επιφάνειας DSM και σε συνδυασμό με αεροφωτογραφίες από τον σένσορα Z/Ι DMC να παραχθούν σε 0.1m pixel size τελικοί έγχρωμοι ορθοφωτοχάρτες. 2. Σχεδιασμός των πτήσεων Εικόνα 1: Leica ALS60 Airborne Laser Scanner Ο σχεδιασμός των πτήσεων πραγματοποιήθηκε επι υπάρχοντος χαρτογραφικού υποβάθρου σε συνδυασμό με ορθοφωτοχάρτες και μέσης ακρίβειας Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DTM). Τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να πραγματοποιηθεί ο σχεδιασμός των πτήσεων τόσο για την πτήση με LiDAR όσο και για την πτήση αεροφωτογράφησης με την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Τα στοιχεία πτήσης εισάγονται στο υπολογιστικό σύστημα του δέκτη, τόσο του σαρωτή laser όσο και της φωτομηχανής μέσω του οποίου γίνεται η καθοδήγηση του αεροσκάφους με την βοήθεια του συστήματος πλοήγησης και διαχείρισης πτήσεων. Για τον σχεδιασμό των πτήσεων LiDAR χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Leica FPES (Leica Flight Planning and Evaluation System) το οποίο επιτρέπει τον σχεδιασμό σε περιβάλλον GIS με κάθε τύπο DTM. Για τον σχεδιασμό των πτήσεων αεροφωτογράφησης χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό IGIPlan της IGI GmbH. Το λογισμικό IGIPlan διαθέτει ανάλογα χαρακτηριστικά όπως το FPES επιτρέποντας τον σχεδιασμό και την προσομοίωση της πτήσης σε περιβάλλον GIS. Εικόνα 2: Σχεδιασμός πτήσεων αεροφωτογράφησης και σάρωσης LiDAR 3

4 3. Έκδοση έγκρισης αεροφωτογράφησης / σάρωσης της περιοχής. Για την εκτέλεση της αεροφωτογράφησης και της σάρωσης με δέκτη LiDAR υποβλήθηκε αίτημα προς το ΓΕΕΘΑ για έκδοση έγκρισης αεροφωτογράφησης. Χορηγήθηκε η με αριθ. πρωτ. Φ /19/ έγκριση με την οποία καθορίσθηκαν και οι διαδικασίες εποπτείας και ελέγχου εκ μέρους των στρατιωτικών αρχών. 4. Προκαταρκτικές διαδικασίες Βαθμονόμηση σαρωτή Μετά την ολοκλήρωση της εγκατάστασης του σαρωτή και των παρελκομένων επι του αεροσκάφους πραγματοποιήθηκε ο έλεγχος καλής λειτουργίας και η βαθμονόμηση του σαρωτή σε πεδίο ελέγχου. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε δοκιμαστική πτήση πάνω από ένα πεδίο ελέγχου το οποίο επιλέχθηκε με τρόπο που να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις βαθμονόμησης. Ως πεδίο ελέγχου χρησιμοποιήθηκε περιοχή ανατολικά της Κορίνθου στην οποία υπάρχουν μεγάλα βιομηχανικά κτίρια με επίπεδες οροφές καθώς και επίπεδες επιφάνειες στο έδαφος, στοιχεία που προσφέρονται για την διαδικασία αυτή. Η διαδικασία βαθμονόμησης επαναλήφθηκε και στην περιοχή του Καλοχωρίου για λόγους βελτιστοποίησης της ποιότητας των μετρήσεων. Τόσο στα κτίρια όσο και στις επίπεδες επιφάνειες είχαν ληφθεί συντεταγμένες και υψόμετρα ακριβείας τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την βαθμονόμηση. 5. Σάρωση με δέκτη LiDAR Η σάρωση της περιοχής μελέτης πραγματοποιήθηκε με αεροσκάφος της εταιρείας Geomatics AE τύπου Piper Navajo Pressurized το οποίο είναι ειδικά διασκευασμένο για λήψη κατακόρυφων μετρητικών αεροφωτογραφιών και σαρώσεις με δέκτη laser. Το αεροσκάφος είναι εξοπλισμένο με τελευταίας τεχνολογίας συστήματα για την εκτέλεση πτήσεων VFR/IFR, διαθέτει σύστημα υποστήριξης ναυτιλίας με GPS/INS και σταθμεύει στο αεροδρόμιο Πάχης Μεγάρων. Το αεροσκάφος λειτουργεί με σταθερή συμπίεση στο θάλαμο των επιβατών, διαθέτει δε όλα τα απαιτούμενα πιστοποιητικά σύμφωνα με τους κανονισμούς E.A.S.A και F.A.A. Η σάρωση της περιοχής μελέτης πραγματοποιήθηκε με χρήση δέκτη τύπου ALS 60 της εταιρείας Leica. Ο δέκτης Leica ALS 60 ο οποίος έχει σχεδιασθεί και κατασκευαστεί από την εταιρεία Leica αποτελεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα το οποίο αποτελείται από έναν σαρωτή laser υψηλής συχνότητας, αδρανειακό σύστημα γεωαναφοράς και ψηφιακή φωτομηχανή μεσαίου format για ταυτόχρονη λήψη ψηφιακών αεροφωτογραφιών. 6. Αεροσκάφος Tα κύρια χαρακτηριστικά του αεροσκάφους που χρησιμοποιήθηκε είναι τα ακόλουθα: Τύπος αεροσκάφους PIPER NAVAJO PRESSURIZED Νηολόγιο SX-BNI Αριθμός κινητήρων 2 Τύπος κινητήρων Lycoming Type of fuel Avgas 100LL Ιπποδύναμη 2Χ450 HP Μέγιστο Βάρος Απογείωσης lbs MTOW) Ωφέλιμο Βάρος lbs Χωρητικότητα 7 θέσεις 4

5 Εμβέλεια 5,5 ώρες plus VFR reserves Πραγματική ταχύτητα 370 km/h (200 Kts) Ταχύτητα ανόδου ft / min Συμπίεση ΝΑΙ Μέγιστο Υψος Οροφής ft Πιστοποίηση IFR Certification Πλοήγηση Garmin 430, Garmin 296, CCNS 4 Flight Management System Μετατροπές Μετατροπή για αεροφωτογραφήσεις Διαθέτει παράθυρο φωτομηχανής με οπτικό γυαλί πάχους 50 mm. GPS/INS IGI Aerocontrol Σύστημα Διαχείρισης Πτήσεων IGI CCNS 4 Εικόνα 3: Piper Navajo Pressurized 7. ALS60 LiDAR ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΟ ΣΎΣΤΗΜΑ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗΣ Ο δέκτης Leica ALS60 λειτουργεί σε ύψη από 200 μ. μέχρι μ. πάνω από το έδαφος, μπορεί δε να εγκατασταθεί είτε σε ελικόπτερο είτε σε αεροσκάφος. Ο ALS60 χρησιμοποιεί υψηλής ακριβείας τεχνολογία σάρωσης η οποία παρέχει υψηλής ακρίβειας υψομετρικά δεδομένα εδάφους κατά μήκος της ζώνης σάρωσης. Ο δέκτης ALS60 συλλέγει πρωτογενή δεδομένα ταχύτερα από οποιαδήποτε άλλη μέθοδο μετρήσεων / συλλογής δεδομένων εδάφους Ο δέκτης ALS60 αποτελείται από ένα υψηλής ακριβείας σύστημα ναυτιλίας, ένα αδρανειακό σύστημα για απόδοση γεωαναφοράς και μία ψηφιακή φωτομηχανή μεσαίου format. Το σύστημα laser εκπέμπει παλμούς laser με μια συχνότητα Hz. Η πυκνότητα των σημείων επι του εδάφους μπορεί να κυμαίνεται από 2 έως 40 σημεία ανά μ2, στοιχείο που εξαρτάται από το ύψος πτήσεως και την ταχύτητα του αεροσκάφους. Στην περίπτωση του Καλοχωρίου η πυκνότητα των σημείων είναι 4 σημ./ Μ2 Χαρακτηριστικά δέκτη Leica ALS60 Υψόμετρο λειτουργίας m πάνω από έδαφος Αριθμός επιστροφών: 4 (first, second, third, last) Βαθμίδες έντασης σήματος: 3 (first, second, last) Μέγιστο οπτικό πεδίο: 75 μοίρες σε πλήρες άνοιγμα Σύστημα καταγραφής: Εξωτερικός σκληρός δίσκος Σύστημα διαχείρισης πτήσης: Leica FCMS Flight Management System Μέγιστη συχνότητα σάρωσης: 200 KHz Πυκνότητα σημείων: Μέχρι 40 σημεία ανά M2 ανάλογα με το ύψος πτήσης και την ταχύτητα του αεροσκάφους Υψομετρική ακρίβεια: 8-15 cm 5

6 Τα αρχεία εξάγονται σε WGS84 και UTM ζώνη 34 και EGSA 87 και LAS τυποποιημένη μορφή αρχείου. Η LAS μορφή αρχείου έχει σχεδιαστεί για να προσφέρει τη μέγιστη ευελιξία. Επίσης μετά την δημιουργήθηκε αρχείο ASCII XYZ για το ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DTM) και αρχείο ASCII XYZ για το ψηφιακό μοντέλο επιφάνειας (DSM) στο ένα 1 x 1 m απόσταση πλέγματος. Εικόνα 4: αερομεταφερόμενο σύστημα χαρτογράφησης ΑΛΣ60 LiDAR εγκατεστημένο στο Piper Navajo Pressuri Εικόνα 5: Z/I DMC εγκατεστημένη στο Piper Navajo Pressuri 8. Z/I DMC AIRPHOTO CAMERA Η αεροφωτογράφηση πραγματοποιήθηκε με το ίδιο πιο πάνω αεροσκάφος της εταιρείας Geomatics AE τύπου Piper Navajo το οποίο είναι ειδικά διασκευασμένο για λήψη κατακόρυφων μετρητικών αεροφωτογραφιών. Το αεροσκάφος, πέραν του εξοπλισμού αεροφωτογραφήσεων διαθέτει τα απαιτούμενα συστήματα ακριβούς ναυτιλίας και διαχείρισης πτήσεων καθώς και αδρανειακό σύστημα GPS/IMU το οποίο επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό συντεταγμένων φωτοκέντρων και των γωνιών στροφής των αεροφωτογραφιών (ω, φ. κ). Για την αεροφωτογράφηση χρησιμοποιήθηκε ψηφιακή φωτομηχανή τύπου Intergraph Digital Mapping Camera (DMC) η οποία διαθέτει σύστημα απόσβεσης του φαινομένου της πρόσθιας κίνησης (FMC Forward Motion Compensation) και είναι τοποθετημένη σε βάση αυτόματης οριζοντίωσης (Gyro Stabilized Automatic Suspension Mount). Τόσο η αεροφωτογράφηση όσο και η σάρωση με τον δέκτη LiDAR πραγματοποιήθηκαν με την παρουσία αξιωματικού ασφαλείας που ορίσθηκε από την Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού. Με την ολοκλήρωση των εργασιών αεροφωτογράφησης πραγματοποιήθηκε η περαιτέρω επεξεργασία των αεροφωτογραφιών (post processing) με σκοπό την παραγωγή των τελικών εγχρώμων εικόνων σε μορφή αρχείων TIFF (R, G, B images). Παράλληλα πραγματοποιήθηκε η επεξεργασία των δεδομένων GPS/INS προκειμένου να πραχθούν τα δεδομένα των γωνιών στροφής (ω, φ, κ) και οι συντεταγμένες των φωτοκέντρων των αεροφωτογραφιών. 9. Σημεία ελέγχου (φωτοσταθερά)-ground Control Points Ground Truth Στην περιοχή του έργου μετρήθηκε σημαντικός αριθμός σημείων ελέγχου (φωτοσταθερών) τόσο για τις ανάγκες παραγωγής του DSM/DTM μέσω των δεδομένων LiDAR όσο και για τις ανάγκες αεροτριγωνισμού και παραγωγής των ορθοφωτοχαρτών. Ως φωτοσταθερά επιλέχθηκαν σημεία τα οποία μπορούν να προσδιορισθούν με σαφήνεια στο έδαφος κύρια ως προς την στάθμη των υψομέτρων. Κατά κανόνα τα σημεία ελέγχου επιλέχθηκαν σε επίπεδες περιοχές και κατά το δυνατόν σε σκληρές και καθαρές επιφάνειες. Τα σημεία αυτά χρησιμοποιήθηκαν κατά την διάρκεια της επεξεργασίας των υψομετρικών δεδομένων προκειμένου να υπολογισθεί το RMSE των δεδομένων LiDAR. 6

7 Εικόνα 6: Φωτοσταθερά Ground Truth, σημεία διανομής 10. DTM/DSM PRODUCTION Η επεξεργασία των στοιχείων σάρωσης πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό TerraScann. Μέσω της επεξεργασίας αυτής προέκυψε ένα νέφος σημείων το οποίο περιγράφει υψομετρικά την επιφάνεια το εδάφους και των επικειμένων (DSM Digital Surface Model). Με κατάλληλη επεξεργασία (τεχνική φιλτραρίσματος) αφαιρέθηκαν τα σημεία που εμπίπτουν πάνω σε τεχνητές επιφάνειες (π.χ αυτοκίνητα) ή σε δένδρα και θάμνους. Το φιλτράρισμα αυτό γίνεται με την βοήθεια της έντασης σήματος της επιστρεφόμενης δέσμης laser (laser intensity). Μέσω της διαδικασίας αυτής όλα τα σημεία laser θα ταξινομηθούν σε σημεία εδάφους, σημεία επί κτισμάτων, σημεία επί δένδρων / θάμνων με βάση την ένταση του επιστρεφόμενου σήματος. Με τον τρόπο αυτό προέκυψε ένα μοντέλο επιφάνειας (DSM) και ένα υψομετρικό μοντέλο εδάφους (Bare Earth DTM). Για την ταξινόμηση των σημείων χρησιμοποιήθηκαν επίσης και οι ψηφιακές αεροφωτογραφίες που ελήφθησαν κατά την αεροφωτογράφηση της ίδιας περιοχής. Το τελικό υψομετρικό μοντέλο εδάφους (DTM) έχει υψόμετρα σε κάναβο διαστάσεων 1Χ1 μ. Οι εξελίξεις στην εναέρια σάρωση με λέιζερ (LiDAR) επέτρεψε την απόκτηση των πυκνών νεφών σημείων. Τα δεδομένα σάρωσης έχουν γίνει μια πολύτιμη πρόσθετη πηγή δεδομένων για την ανακατασκευή των μοντέλων κτιρίου σε πολύ μικρό χρόνο λόγω της αυτοματοποίησης. Τα δεδομένα αυτά πρέπει να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία για διόρθωση λάθους και συμπλήρωσης των κενών. Αυτά τα λάθη είναι ορατά όταν τα σημεία λέιζερ είναι πυκνότερα και όταν τα σφάλματα είναι σαφώς πάνω από το επίπεδο του θορύβου του συστήματος. Σε αυτήν την περίπτωση, οι γραμμές πτήσης πρέπει να επεξεργαστούν ως μπλοκ με φωτοσταθερά, σημεία σύνδεσης και σημεία ελέγχου. Τα σημεία αυτά είναι πιο δύσκολο να επιλεχθούν σε σχέση με την επιλογή τους σε περίπτωση λήψης αεροφωτογραφιών, δεδομένου ότι πρέπει να λαμβάνονται σε καλά καθορισμένες 3D δομές, όπως γωνίες κτιρίου σε καθαρά κτίρια, σε επίπεδες περιοχές (όπως κάναμε). Για την αξιολόγηση, επαλήθευση της διαδικασίας, χρησιμοποιήθηκαν και οι αεροφωτογραφίες που καλύπτουν την περιοχή Καλοχωρίου. 11. ΑΕΡΟΤΡΙΓΩΝΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΡΘΟΦΩΤΟΧΑΡΤΩΝ Ο αεροτριγωνισμός αποτελεί ένα αναγκαίο στάδιο για τον εξωτερικό προσανατολισμό των αεροφωτογραφιών και την εν συνεχεία παραγωγή του ορθοφωτοχάρτη. 7

8 Για τις μετρήσεις του αεροτριγωνισμού χρησιμοποιήθηκε ψηφιακός φωτογραμμετρικός σταθμός με χρήση αυτοματοποιημένων τεχνικών συσχέτισης σε ψηφιακές εικόνες. Εφαρμόσθηκε ανάλογη διαδικασία στις λειτουργίες συλλογής, σύνδεσης και μέτρησης των σημείων που συμμετέχουν στο block (συνδετικών σημείων και φωτοσταθερών). Με τη χρήση του λογισμικού, δημιουργούνται σημεία σύνδεσης ανάμεσα στις φωτογραφίες του block μέσω αυτομάτων μεθόδων αντιστοίχισης σημείων (point-matching). To αποτέλεσμα της συνταύτισης (συσχέτισης) ελέγχεται από τον χειριστή που έχει την δυνατότητα να επεμβαίνει με διόρθωση ή διαγραφή στοιχείων. Τα βασικά βήματα στη διαδικασία του αεροτριγωνισμού περιγράφονται στη συνέχεια: Ο χρήστης δημιουργεί ένα νέο project. Καθορίζεται το όνομα του project, εισάγονται οι ψηφιακές εικόνες, οι συντεταγμένες των φωτοκέντρων και οι γωνίες ω, φ, κ ενώ καθορίζονται επίσης οι μονάδες και το μέσο υψόμετρο του εδάφους. Υπάρχει δυνατότητα να γίνουν τροποποιήσεις στο αρχικό project που δημιουργεί ο χρήστης όπως τροποποίηση των δεδομένων της φωτομηχανής (camera calibration data), εισαγωγή των φωτοσταθερών σημείων και των σημείων ελέγχου, ενεργοποίηση των παρατηρήσεων GPS, INS, καθορισμός των a priori τυπικών αποκλίσεων για τις διαφορετικές ομάδες παρατηρήσεων (φωτοσταθερά σημεία, σημεία σχετικού προσανατολισμού, GPS παρατηρήσεις). Με τον όρο ορθοφωτογραφία ορίζεται η αεροφωτογραφία η οποία έχει υποστεί γεωμετρική διόρθωση λόγω αναγλύφου (ορθοδιόρθωση) και είναι απαλλαγμένη από τα σφάλματα της κεντρικής προβολής που έχει μία απλή αεροφωτογραφία. Αποτέλεσμα της διαδικασίας ορθοδιόρθωσης είναι να αποκτήσει η αεροφωτογραφία ενιαία κλίμακα και γεωαναφορά (να είναι δηλαδή ενταγμένη σε ένα σύστημα συντεταγμένων). Το στάδιο παραγωγής ορθοφωτογραφιών έπεται αυτού της παραγωγής του ψηφιακού μοντέλου εδάφους. Το τελικό παραγόμενο προϊόν είναι συνήθως ένα μωσαϊκό, το οποίο προέρχεται από συνένωση πολλών γειτονικών ορθοδιορθωμένων αεροφωτογραφιών. Για την γεωμετρική και ραδιομετρική διόρθωση των μωσαϊκών χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά Intergraph IRASC, Bentley MICROSTATION και Photoshop αντίστοιχα. Για την παραγωγή των ορθοφωτογραφιών εισάγονται τα παρακάτω στοιχεία: το project που έχει προκύψει από τον αεροτριγωνισμό οι ψηφιακές εικόνες σε μορφή tif υψομετρική πληροφορία από το νέφος σημείων laser που θα συλλεχθούν κατά την σάρωση. Κατά την διαδικασία ορίζονται: το ποσοστό της εικόνας που θα υποστεί ορθοδιόρθωση, η μορφή του τελικού προϊόντος (tif), το μέγεθος του εικονοστοιχείου στο έδαφος (pixel) και ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για την ορθοδιόρθωση. Μετά την ορθοδιόρθωση των αεροφωτογραφιών παράχθηκαν τα φωτομωσαϊκά προκειμένου στην συνέχεια να γίνει η παραγωγή των πινακίδων. Το φωτομωσαϊκό είναι ένα ψηφιακό προϊόν σε μορφότυπο TIFF, το οποίο προέρχεται από συνένωση πολλών γειτονικών ορθοδιορθωμένων αεροφωτογραφιών. Η συνένωση των αεροφωτογραφιών πραγματοποιήθηκε κατά μήκος των γραμμών συρραφής. Η παραγωγή των γραμμών συρραφής γίνεται αυτόματα και η μεθοδολογία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενός ομοιόμορφου μωσαϊκού βασίζεται σε αλγόριθμους εξομάλυνσης των χρωματικών διαφορών στις γειτνιάζουσες εικόνες (adaptive feathering). Μέσω της διαδικασίας αυτής γίνεται χρωματική ανάμειξη και ραδιομετρική εξομάλυνση κατά μήκος των γραμμών συρραφής ώστε οι συνενώσεις να μην είναι ορατές στο τελικό προϊόν (πινακίδα). Οι γραμμές 8

9 συρραφής που παράγονται αυτόματα αποθηκεύονται με τέτοιο τρόπο ώστε να έχει την δυνατότητα ο χειριστής να τις ανακαλεί και να προβαίνει σε διορθώσεις όπου απαιτείται και εκ νέου παραγωγή φωτομωσαϊκού. 12. Τo MULTI SENSOR SYSTEM ALS60, DMC και GPS / IMU, GPS/GNSS base & rover Το σύστημα πολλαπλών αισθητήρων που χρησιμοποιούνται στην περιοχή περιλαμβάνει χρήση ALS60, DMC και GPS / IMU τα οποία τοποθετούνται στην ίδια πλατφόρμα σε δύο κοντινές χρονικές στιγμές (διαφορά δέκα ημέρες). Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία βοηθάει στο να συνδυάσουμε τη χρήση των LiDAR νέφος σημείων με εικόνες που έχουν χρησιμοποιηθεί για την αυτόματη δημιουργία και την εξαγωγή της βλάστησης σε ερευνητικές μελέτες (Elberink και Vosselman, 2011). Για το παραγόμενο Digital Surface Μοντέλο (DSM) από το νέφος σημείων, έχει χρησιμοποιηθεί λογισμικό για το διαχωρισμό μικτών τάξεων και έχουν εξαλειφθεί με καθορισμένους κανόνες τα είδη μη ενδιαφέροντος πχ. αυτοκίνητα, αστική βλάστηση κ.α. Στην περιοχή Καλοχωρίου για το μοντέλο της πόλης 3D λαμβάνονται πληροφορίες από τα δεδομένα LiDAR σε συνδυασμό με το Z / I DMC οπτικά δεδομένα και ο συνδιασμός αυτών βοηθά στην κατάρτιση ενός τρισδιαστατου αποθετηρίου των κτιρίων και κατασκευών της περιοχής με αποτέλεσμα την κατάρτιση ενός καταλόγου με το κατασκευαστικό και κτιριακό που περαιτέρω θα χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών, όπως επηρεάζονται από την αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής. Αρκετές στρατηγικές έχουν σχεδιαστεί για να συνδυάζονται οι διάφορες πηγές δεδομένων. Η χρήση δεδομένων του σαρωτή λέιζερ και αεροφωτογραφιών είναι σαφέστατα η πιο γρήγορη λύση ακριβείας. Το αποτέλεσμα είναι ακριβή 3D μοντέλο της πόλης που συνδέεται με μια βάση δεδομένων που δίνει τα ύψη των κτιρίων, τα σχήματα κτιρίου - κατασκευών και τα στοιχεία μορφής και μια ακριβή θέση- geolocation των κτιρίων. Η αυτοματοποίηση στην απόκτηση δεδομένων για μοντέλα 3D πόλης είναι ένα σημαντικό θέμα της έρευνας με στόχο τη μείωση του κόστους παροχής των δεδομένων στο κατάλληλο επίπεδο λεπτομέρειας. Χρησιμοποιώντας δεδομένα LiDAR με πυκνότητα ένα σημείο ανά τετραγωνικό μέτρο, είναι δυνατόν όχι μόνο να εντοπίσουμε τα κτίρια και προσέγγιση περιγράμματα τους αλλά και να δημιουργήσουμε μοντέλα που δίνουν και τις λεπτομερείς δομές της οροφής. Βήματα για την παραγωγή του 3D διανυσματικού αρχείου 1. Παραγωγή NDSM (πράξη αφαίρεσης μεταξύ DTM και DSM). 2. Ψηφιοποίηση κατόψεων και οροφών-ανώτερων στάθμεων οικοδομημάτων σε διανυσματικό αρχείο, τύπου πολυγώνου, λαμβάνοντας υπόψη το NDSM και την ορθοεικόνα. 3. Χωρισμός του διανυσματικού αρχείου σε δύο ανεξάρτητα αρχεία. Το πρώτο απεικόνιζε την κάτοψη των οικοδομημάτων και το δεύτερο την ανώτερη στάθμη τους, εφόσον υπήρχε. 4. Υπολογισμός του μέσου όρου του ύψους των οικοδομημάτων, για κάθε διανυσματικό αρχείο, από το αρχείο NDSM και με βάση την οριοθέτηση από τα ψηφιοποιημένα πολύγωνα. 5. Υπολογισμός περιμέτρου, εμβαδού για κάθε πολύγωνο. 6. Ένωση των δύο διανυσματικών αρχείων και των περιεχομένων τους. 7. Εύρεση προβολικών συντεταγμένων του κέντρου κάθε πολυγώνου στο σύστημα αναφοράς ΕΓΣΑ Δημιουργία τελικού διανυσματικού αρχείου με την ενσωμάτωση της 2-D πληροφορίας (X-Υ) με το αντίστοιχο ύψος κτιρίου. 9

10 Εικόνα 7: Αστική περιοχή Εικόνα 8: Βιομηχανική περιοχή Αντίστοιχα δημιουργήθηκε μεθοδολογία για την αποτύπωση των «δεξαμενών» από τα δεδομένα LiDAR υψηλής ανάλυσης. 10

11 Εικόνα 9: Οι «δεξαμενές» από την υψηλής ανάλυσης LiDAR δεδομένων και αξιολόγηση με χρήση ορθοφωτοχαρτών Από όλα αυτά τα δεδομένα δημιουρήθηκε και μια VRML απεικόνιση. Η πληροφορία μεταφέρθηκε σε πλατφόρμα web, ERDAS Enterprise, που επιτρέπει στους συμμετέχοντες αλλά και σε τρίτους ενδιαφερόμενους να έχουν πρόσβαση και να μοιραστούν τις γεωχωρικές πληροφορίες. Οι μελλοντικές εργασίες θα περιλαμβάνουν: Τη δεύτερη λήψη LiDAR της περιοχής Καλοχωρίου σε 12 μήνες, ως μέρος της εφαρμογής ανίχνευσης αλλαγών και μέρος της παρακολούθησης - χαρτογράφησης των τοπικών υποδομών. Δημιουργία εφαρμογής για εξαγωγή σχημάτων αλλά και την εκτίμηση της ακρίβειας του αποτελέσματος. Τεχνικές επεξεργασίας εικόνας, κατάτμηση των pixel και ταξινόμηση βάση μεθόδων «object extraction with defined rule set». Η μέθοδος βασίζεται στην αντικειμενοστραφή ταξινόμηση και θα βοηθήσει την κατάταξη των ειδών με περιορισμό των παραδοσιακών προβλημάτων, όπως η σύγχυση των κατηγοριών. 6. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Το έργο INDES-MUSA χρηματοδοτείται από την Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ), στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανταγωνιστικότητα και Επιχειρηματικότητα», Ελλάδα Κίνα στα πλαίσια της Διμερούς συνεργασίας R & D. Ευχαριστούμε το τεχνικό προσωπικό της GEOMATICS Α.Ε., για την εγκατάσταση και ελέγχους των ALS60, Z / I DMC, πριν από τις λήψεις. Επίσης θα θέλαμε επίσης να ευχαριστήσουμε το προσωπικό της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού και του Γενικού Επιτελείου Εθνικής Άμυνας, γραφείο ΓΕΕΘΑ Ε4, για την υποστήριξη τους κατά τη διάρκεια των πτήσεων, και της πρώτης επεξεργασίας. Αναφορές 1. Emmanuel P. Baltsavias,, A comparison between photogrammetry and laser scanning, ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 54 _ George Vosselman, Fusion of Laser Scanning Data, Maps, and Aerial Photographs for Building Reconstruction, Photogrammetry and Remote Sensing Section, Department of Geodesy, Delft University of Technology Thijsseweg 11, NL-2629 JA Delft, The Netherlands. 3. Elberink, O; Vosselman, G Quality analysis on 3D building models reconstructed from airborne laser scanning data. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 66, pp N. Yastikli, M. Uzar, BUILDING EXTRACTION USING MULTI SENSOR SYSTEMS, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-1/W1, ISPRS Hannover Workshop 2013, May 2013, Hannover, Germany. 5. F. Rottensteiner, Ch. Briese, NEW METHOD FOR BUILDING EXTRACTION IN URBAN AREAS FROM HIGH-RESOLUTION LIDAR DATA, Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna University of Technology, Gußhausstraße 27-29, A-1040 Vienna, Austria. 11