Systemy Informacji Przestrzennej

Adam Inglot
Adiunkt w Katedrze Geodezji
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska
adam.inglot@pg.edu.pl

2022-12-12, aktualizacja 2022-12-13

ciemne-jasne

Obsługa chmury punktów w ArcGIS Pro

Chmura punktów jest to zbiór punktów w przestrzeni trójwymiarowej uzyskany w wyniku skanowania [1]. Mniej popularne ale również możliwe do uzyskanie jest chmura punktów za pomocą metod fotogrametrycznych. Dane zawarte w chmurze punktów zazwyczaj są tak gęste, że tworzą mozaikę powierzchni ciągłej (gdy symbolizacja chmury punktów jest w RGB - nadamy punktom kolor pozyskany ze zdjęć). Gęstość chmury punktów zależy od klasy skanera, jego ustawień dokładności oraz odległości od skanowanego obiektu [2]. Więcej informacji można zaczernąć z książki: Podręcznik dla uczestników szkoleń z wykorzystaniem produktów LiDAR [3].

Dane pozyskane w wyniku skanowania terenu stanową podstawę do opracowania numerycznych modeli o wysokiej rozdzielczości: Numeryczny Model Terenu (NMT), Numeryczny Model Pokrycia Terenu (NMPT). Wykonanie, wygenerowanie NMT lub NMPT na podstawie danych ALS (Airborne Laser Scanning), jest możliwe w przypadku gdy chmura punktów została sklasyfikowana. Dane które możemy pobrać z zasobów GUGiK (przez usługę geoportalu krajowego - dane pomiarowe NMT) posiadają atrybut przypisania do klasy zgodnie z poniższą tabelą.

Zmiana klasy punktów za pomocą selekcji grupy punktów

Na początku zobaczmy jak można zmienić wyświetlanie symboli chmury punktów. Punkt może być przedstawiony za pomocą symboli reprezentującego wysokość, klasę, numerem odbicia, kolorem RGB i intensywnością.

1. Uruchom ArcGIS Pro.

2. Otwórz nowe okno projektu, scenę lokalną - manu główne Insert, następnie rozwiń New Map, wybierz New Local Scene.

3. Zauważ że układ okna Contents jest inny, są rozróżnione warstwy 3D i 2D.

4. Dodaj dane 70930_849007_N-34-50-C-c-4-2-2-1.las do projektu.

5. Wyłącz warstwę WorldElevation3D/Terrain3D - widoczne będą punkty reprezentujące grunt.

6. Zmień położenie chmury punktów przesuwając LKM i naciskając scroll.

7. Przejdź do symbolizacji.

8. Zmień sposób wyświetlania punktów z podziałem na klasy. Odnośnie klasyfikacji chmury punktów należy zapoznać się z informacjami zawartymi w wskazanym podręczniku.

9. Wypróbuj symbolizację RGB. Skąd bierze się kolor przypisany punktom w chmurze - podręcznik.

10. Przejdź do filtracji chmury punktów, wybierz punkty należące do klasy grunty - Ground.

W ArcGIS Pro jest możliwe wykonanie zmiany klasy punktów na kilka sposobów, wykorzystując: algorytmy do klasyfikacji, narzędzie zmiany klasy Change LAS Class Codes oraz poprzez wskazanie przez użytkownika. Sprawdźmy na początek jak wykonać zmianę klasy poprzez zaznaczenie grupy punktów i przypisanie poprawnej klasy, którą reprezentuje wskazana grupa punktów.

11. Znajdź fragment chmury punktów po wskazanych współrzędnych.

12. Ustaw tak widok aby można było wybrać punkty błędnie zaklasyfikowane do klasy Building.

13. Za pomocą selekcji, zaznacz punkty jak na rysunku poniżej.

14. Przejdź ponownie do zakładki klasyfikacji - Classification. Wybierz w oknie Classification Code klasę 5 i wciśnij Apply Changes.

Powyższy przykład pokazuje jak zmienić klasę punktów. Zaznaczone zostały punkty które należą lub powinny należeć do klasy reprezentującej wysoką roślinność, a część z nich należała do klasy budynków. W efekcie, wybrane punkty mają poprawną klasę.

Uwaga - zmiana klasy punktów jest nieodwracalna - nie ma możliwości cofnięcia wykonanego działania. Jedynie ponowne zaznaczenie i zmiana klasy.

Zmiana klasy punktów za pomocą wskazanego obszaru

W ArcGIS Pro jest narzędzie do zmiany klasy Set LAS Class Codes Using Features chmury punktów za pomocą wyznaczonego obszaru. Poniższy przykład został wykonany na danych ALS pochodzących z PZGiK dla obszary Politechniki Gdańskiej z gmachem głównym - 70930_849007_N-34-50-C-c-4-2-2-2.las.

15. Z danych BDOT10k dodaj warstwę jezdni (OT_SKJZ_L - dla m. Gdańsk) i wykorzystaj parametr szerokości jezdni (rys. 20) do zbudowania warstwy poligonowej. Wykonaj to za pomocą narzędzia Buffer.

16. Wykorzystamy atrybut szerokości jezdni - SZERNAWIE.

17. Do warstwy dróg - OT_SKJZ_L dodaj pole Szer typu - liczby rzeczywiste (Float lub Double).

18. Następnie za pomocą Calculate Field oblicz połowę wartości wpisanej w polu Szer. Na pole Szer kliknij PPM, wybierz Calculate Field. W kalkulatorze kliknij 2LPM na pole SZERNAWIE, wykonaj Run.

19. Uruchom narzędzie Buffer i wypełnij parametry zgodnie z rysunkiem poniżej.

Wykonana warstwa strefy od jezdni reprezentowanej w postaci linii, posłuży nam do wyznaczenia obszaru jezdni. Wykonany obszar, poligon należy poprawić zgodnie z ortofotomapą do powierzchni odzwierciadlającej jezdni, można to wykonać za pomocą edycji danych.

20. Przejdź do edycji i poznanymi już narzędziami edycji np. Reshape, popraw geometrie poligonu.

Następnie, przeprowadzimy zmianę klasy punktów ALS z klasy 2 (ground) i 3 (low vegetation), w obrębie przygotowanych poligonów do klasy 11 (road surface).

21. Przeprowadź filtracje chmury punktów wybierając jedynie klasy 2 (ground) i 3 (low vegetation).

22. Przy wprowadzonej filtracji klas 2 i 3, wykonaj zmianę punktów w obrębie poligonów używając narzędzia Set LAS Class Codes Using Features.

23. Zamknij i zapisz ArcGIS Pro.

Przetwarzanie danych ALS

Jednym z podstawowych produktów jakie możemy otrzymać z chmury punktów są numeryczne modele. Dane pozyskane poprzez metodę lotniczego skaningu laserowego (ALS) stanowią wysoko rozdzielczą bazę danych pomiarowych do generowania numerycznego modelu terenu. Numeryczny model terenu (NMT) stanowi uporządkowany zbiór punktów reprezentujących wysokości topograficzne powierzchni terenu wraz z algorytmami interpolacyjnymi pozwalającymi na odtworzenie (interpolację) tej powierzchni w dowolnym miejscu [@ISOKpodrecznik2015]. Numeryczny model pokrycia terenu (NMPT) stanowi dyskretną (punktową) reprezentację powierzchni terenu wraz z obiektami wystającymi ponad tę powierzchnię, takimi jak: budynki, drzewa, mosty, wiadukty i inne elementy infrastruktury [@gugik]. Znormalizowany numeryczny model pokrycia terenu otrzymany jest jako różnica pomiędzy NMPT i NMT.

Posługując się danymi ALS zbuduj NMT (Numeryczny Model Terenu) i NMPT (Numeryczny Model Pokrycia Terenu), w oparciu ot te rastry wykonaj zNMPT (znormalizowany Numeryczny Model Pokrycia Terenu).

$zNMPT = NMPT - NMT$

Budowanie numerycznych modeli na podstawie danych ALS

24. Przejdź do ArcGIS Pro.

25. Dodaj dane ALS do projektu, zbliż okno projektu do danych, tak żeby były widoczne punkty.

26. Użyj filtracji chmury punktów, tak żeby wyświetlane były punkty reprezentujące klasę gruntu.

27. Użyj narzędzia konwersji danych ALS do rastra, wybierz w Contents dane ALS, następnie przejdź w menu głównym do Data rozwińExport i wybierz Raster.

28. W oknie LAS Dataset To Raster podaj nazwę rastra NMT1 i zmień rozdzielczość przestrzenną (Sampling Value) na 0.5 metra. Uruchom -Run.

29. Ponownie przejdź do filtracji danych ALS i zaznacz klasy: 2, 3, 4, 5, 6, 8 i 9 oraz pierwsze odbicie (więcej informacji na temat NMPT oraz odbić w podręczniku).

30. Ponownie użyj narzędzia konwersji danych ALS do rastra aby utworzyć NMPT.

31. W oknie Geoprocessing wyszukaj narzędzia Raster Calculator.

32. Używając narzędzia Raster Calculator zbuduj raster zNMPT jako różnica rastrów NMT i NMPT.

Wizualizacja danych NMT w oknie Sceny

W oknie Scene mamy możliwość wprowadzenia NMT jako podstawy warstwy odniesienia terenu. Wizualizacja ta opiera się na "wypiętrzeniu" danych wysokościowych na podstawie wartości w komórkach rastra.

33. Przejdź do Scene i dodaj dane jako źródło danych wysokościowych - Elevation Source.

34. W Contents wyłącz warstwę WorldElevation3D/Terrain3D oraz dodaj ponownie warstwę NMT lecz kopiując ją z okna Contents projektu mapy do Contents sceny.

35. Zbliż się do warstwy i zobacz szczegółowość ukształtowania terenu z danych ALS, porównaj z danymi WorldElevation3D/Terrain3D. Sprawdź resztę numerycznych modeli utworzonych powyżej.

Wykorzystaj 4 zbiory dany ALS pobrane ze strony geoportalu i zbuduj NMT. Numery danych ALS, podane w tabeli poniżej:

36. W Catalog kliknij PPM na wybrany katalogi przejdź do New i wybierz LAS Dataset.

37. Przejdź ponownie do Catalog, PPM na utworzony LAS Dataset i wybierz Properties.

38. Dodaj wszystkie cztery pliki ALS.

39. Używając powstały zestaw danych ALS wykonaj raster NMT narzędziem LAS Dataset To Raster.

40. Zamknij i zapisz ArcGIS Pro.

Używane skróty:

• LPM - lewy przycisk myszy, 2LPM - podwójne szybkie użycie lewego przycisku myszy,
• PPM - prawy przycisk myszy,
• SHP - ESRI Shapefile,

[1] Polskie Towarzystwo Informacji Przestrzennej. Internetowy leksykon geomatyczny, 2006.
[2] https://poiformat.pl/
[3] Wężyk, P. "Podręcznik dla uczestników szkoleń z wykorzystania produktów LiDAR." Główny Urząd Geodezji i Kartografii, Warszawa (2015).
[4] Rozporządzenie Ministra Rozwoju, Pracy i Technologii z dnia 27 lipca 2021 r., w sprawie bazy danych obiektów topograficznych oraz bazy danych obiektów ogólnogeograficznych, a także standardowych opracowań kartograficznych.

Autor: Adam Inglot, mail: adam.inglot@pg.edu.pl