3D-modellering av miljön

Exakt och aktuell geografisk information om miljön behövs i olika samhällsfunktioner och i allt större utsträckning även i vardagslivet. Att kopiera omgivningen och presentera den i en tredimensionell karta är en process med många skeden. I arbetet används ofta både automatiserad teknik och arbete som utförs för hand.

Bild 1. Från laserpunktsvärm till 3D-modell. På bilden visas en tät laserpunktsvärm som samlats in genom mobil laserskanning från Hagalunds centrum i Esbo (uppe till vänster). Byggnadernas fasader är automatiskt separerade i materialet (uppe till höger). När detaljerna läggs till i de modellerna på fasaderna från fotografier, är resultatet en fotografiliknande 3D-modell av staden.

3D-modeller av miljön behövs till exempel vid stadsplanering, skogsvård och automatisk navigering. Kartor, bilder och modeller av byggda miljöer är viktiga utgångsdata vid stadsplanering och byggande. I skogsvård behövs information om trädbeståndets mängd och kvalitet. Det vore också omöjligt att köra med hjälp av en automatisk navigator utan exakta vägkartor.

Fjärranalys och fotogrammetri är centrala metoder vid insamlingen av geografisk information. Med dessa metoder insamlas bilder och mätunderlag som behandlas och tolkas för att ta fram nyttig information.

Avdelningen för fjärranalys och fotogrammetri vid Geodatacentralen utvecklar nya och alltmer effektiva metoder för insamling och behandling av information. Målet är att få mer aktuell och mångsidig information om omgivningen. Insamling av tredimensionella data (3D) är ett viktigt område. På en tvådimensionell terrängkarta presenteras en byggnad som en rektangel som anger byggnadens läge och storlek (grundyta). I 3D-modeller av byggnader finns dessutom höjddimensionen. Mer detaljerade modeller visar byggnadernas färger och material samt fönstrens och dörrarnas lägen med hög precision. Även andra objekt, till exempel enskilda träd och elstolpar, kan presenteras i modellen. Modeller av det här slaget visar omgivningen som den ser ut i verkligheten.

Insamling av material

Viktiga metoder vid kartläggning är laserskanning och flygfotografering som görs med flygplan. Laserskanningsutrustningen skickar laserpulser till marken och mäter hur de reflekteras tillbaka till utrustningen. Pulserna reflekteras tillbaka från byggnader, träd, markytan och andra objekt. Utifrån den tid som det tar för pulserna att gå fram och tillbaka är det möjligt att beräkna avståndet mellan laserskanningsutrustningen och objekt i terrängen. Resultatet är en tät punktsvärm som beskriver objektens 3D-geometri. I dag samlas bild- och laserskanningsmaterial också in med hjälp av fordon som rör sig på marken och med obemannade helikoptrar och drones. Med utrustning som monterats på biltaket är det möjligt att samla in exakt information om objekt som ligger till exempel längs vägarna. Informationen kan användas som underlag för detaljerade 3D-stadsmodeller. I dag finns effektiva mätutrustningar som kan monteras i ryggsäck, vilket gör det möjligt att effektivt samla in material också utanför vägarna. För kartläggning av stora områden används satellitbilder.

Behandlingen av material

Bild 2. Materialen behandlas med dator. På bilden till vänster visas en ytmodell som bildats av laserskanningsmaterial. I modellen visas höga objekt i ljusa färger och låga objekt i mörka färger. Till höger visas resultat av automatisk klassificering (byggnader presenteras i rött, växtlighet i grönt och markytan i grått).

Bild- och laserskanningsmaterialen sparas i digitalt format, vilket gör det möjligt att behandla dem med kalkylmetoder. Det ursprungliga laserskanningsmaterialet består av 3D-punkter för vilka x-, y- och z-koordinaterna sparats. Detta kallas för en punktsvärm. Bilderna är i rasterformat, vilket betyder att de består av pixlar som har tonvärden.

Det behövs många arbetsmoment för att ta fram tredimensionella modeller. Vid förbehandlingen av de insamlade materialen konverteras bilderna och laserskanningsmaterialen till det rätta koordinatsystemet och till ett format som lämpar sig för den fortsatta behandlingen. Laserskanningsmaterialet i punktform används ofta för att bilda modeller i rasterformat, och då kan det vara nödvändigt att korrigera bildernas tonvärden för att göra dem jämförbara i olika områden.

Om avsikten är att automatisera modelleringen av objekten är identifieringen av objekt av olika slag ett viktigt arbetsmoment efter förbehandlingen. Det här betyder att till exempel byggnader och vägar letas automatiskt fram i bild- och lasermaterialen. I arbetet används bland annat segmenteringsmetoder som identifierar sammanhängande områden, och kategoriseringsmetoder med vilka områden kan indelas i olika kategorier (till exempel byggnad, väg, skog och åker). Kategoriseringen bygger ofta på statistiska metoder som jämför egenskaperna hos de objekt som ska kategoriseras med objekt som är kända på förhand.

När objekten har identifierats preliminärt, blir det aktuellt att skapa själva modellen. I det här momentet är avsikten att presentera objekten med hjälp av geometriska element, såsom linjer, plan och block. Till exempel för en byggnad letar man reda på hörnpunkterna och bildar byggnadens konturer med hjälp av dem. Takets form kan modelleras genom att passa in plan på de laserpunkter som reflekterats från taket. I detaljerade virtuella modeller fogas också textur till objekten. Det innebär att till exempel byggnadsfasader presenteras som de ser ut i verkligheten med hjälp av fotografier. Automatisk identifiering och modellering av objekt är krävande uppgifter. För de bästa resultaten behövs tills vidare också arbete som utförs för hand.

Tillämpningar

Information om tillämpningar i detta område presenteras bland annat på sidorna:

Juha Hyyppä

Prof.
Docent
TkD
Direktör