Отчет по проекту «Трехмерная компьютерная модель и гис-проект университетского городка сфу в ландшафте лесопарковой зоны на основе снимков среднего пространственного разрешения», выполняемому в рамках «Программы развития сфу на 2007-2010 годы»

Вид материала

Отчет

Содержание Общее описание созданного продукта Основные этапы проделанной работы Использование созданного продукта Предлагаемая структура ядра университетского городка СФУ Методика обработки многоканальных спутниковых изображений Материалы, прилагаемые к настоящему отчету

Подобный материал:

• Научный отчет по проекту «Проектирование дифференцированного холдинга из малых наукоемких, 1771.12kb.
• Утверждаю, 1454.45kb.
• Научный отчет по проекту «Оптимальный вариант взаимодействия университета автономного, 1710.48kb.
• Материалы научно-методической конференции Красноярск 2010 г. Ббк 74. 202, 2226.17kb.
•  А. Пантелеев, Н. В. Дулесова, Е. А. Ултургашева: Сиб федер ун-т, хти филиал сфу. Абакан:, 1491.17kb.
• Информационные электронные ресурсы нб сфу, 25kb.
• Трёхмерная компьютерная графика – пользовательский и алгоритмический подход, 72.66kb.
• 16. 05. 2011 15: 24 Создан общественный совет музея Сибирского федерального университета, 20.79kb.
• Обзор красноярских сми c 14 по 20 февраля 2011 года, 1350.07kb.
• «Об утверждении Программы развития субъектов малого и среднего предпринимательства, 430.59kb.

Приложение 2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»


УДК _______

Код ГРНТИ ________


УТВЕРЖДАЮ

Ректор СФУ

_________________ академик Ваганов Е.А.

подпись

М.П.

“___” _____________ 2008 г.


ОТЧЕТ


по проекту «Трехмерная компьютерная модель и ГИС-проект университетского городка СФУ в ландшафте лесопарковой зоны на основе снимков среднего пространственного разрешения», выполняемому в рамках «Программы развития СФУ на 2007–2010 годы»


задание: Задача 2. Модернизация научно-исследовательского процесса


мероприятие: 2.2. Внутренние конкурсы на реализацию важнейших инновационных проектов по приоритетным областям СФУ


Вид отчета: итоговый


Руководитель проекта: к.ф.-м.н. Садыков Тимур Мрадович


г. Красноярск 2008 г.

Оглавление

Общее описание созданного продукта

В результате проделанной работы созданы трехмерная интерактивная компьютерная модель и ГИС-проект университетского городка Сибирского федерального университета в ландшафте лесопарковой зоны, в которую должно быть преобразовано пространство, занятое в настоящее время перестойной березовой рощей. Данная модель построена на основе топографических данных о рельефе местности, на которой будет развиваться университетский городок СФУ с учетом уже возведенных объектов. Интерактивность модели означает возможность посмотреть на проект с любой выбранной точки зрения, совершить виртуальное путешествие по университетскому городку, а также управлять большим числом параметров модели. Модель создана с помощью системы архитектурного проектирования 3ds Max с включением фотоснимков имеющихся на местности объектов, а также спутниковых снимков среднего пространственного разрешения для максимального приближения модели к реальности.

Основные этапы проделанной работы

1. Выборочная GPS-съемка местности с целью уточнения имеющихся картографических данных.
   
2. Фотосъемка уже возведенных и строящихся объектов университетского городка СФУ, расположенных вблизи зоны предполагаемой застройки (то есть зданий бывших КрасГУ и Архитектурно-строительной академии), а также фотосъемка предполагаемой зоны застройки в целом, выполненная с ключевых высот.
   
3. На основе топографических карт масштаба 1: 50 000, содержащих информацию о рельефе, в виде изолиний и отметок высот была построена цифровая модель рельефа местности.
   
4. Определение типов подстилающей поверхности рельефа, произведенное путем выполнения ряда стандартных для данной задачи процедур: пространственного и спектрального улучшения изображения, создания обучающей выборки, проведения классификации.
   
5. Создание трехмерной интерактивной компьютерной модели существующего университетского городка СФУ в ландшафте березовой рощи.
   
6. Проектирование новых зданий в университетском городке СФУ, включая учебные корпуса, здания для кабинетов преподавателей, бизнес-центр, здание главного конференц-зала, зала выпускников, бассейна и стадиона. На этом этапе особое внимание было уделено сохранению и развитию имеющегося уникального стиля главного корпуса СФУ и главного здания Института архитектуры и градостроительства.
   
7. Создание трехмерных интерактивных компьютерных моделей перечисленных в предыдущем пункте объектов и их интеграция в ландшафт перестойной березовой рощи в зоне между общежитиями бывшего КрасГУ и лыжным стадионом.
   
8. Создание пакета презентационных фото- и видеоматериалов построенной компьютерной модели: получение изображений высокого качества спроектированных корпусов в преобразованном ландшафте лесопарковой зоны, запись видеороликов, демонстрирующих ключевые решения предложенного проекта.
   

Использование созданного продукта

Построенная модель университетского городка СФУ содержит значительный объем разнообразных данных как о рельефе занимаемой им территории, так и об имеющихся и спроектированных объектах инфраструктуры. Она позволяет измерять расстояния между ее элементами, “смотреть” на университетский комплекс (или любой его элемент) с произвольной точки, установить, куда падает тень от выбранного здания в заданный момент времени, совершить “виртуальное путешествие” по университетскому городку СФУ и т.д.


В результате проделанной работы реализована зрелищная визуализация проекта преобразования перестойной березовой рощи в лесопарковую зону университетского городка СФУ. Разработанная модель может быть использована для аргументации в пользу этого проекта и для демонстрации в широкой аудитории.


Созданная модель предусматривает возможность ее уточнения, дополнения и развития. Каждое из зданий может быть модифицировано, а его местоположение изменено. Спроектированный архитектурный комплекс можно “фотографировать” с любой позиции, а также производить “видеозапись” путем имитации движения видеокамеры по произвольному пути. Особое внимание было уделено компьютерной визуализации зеленых насаждений на территории университетского городка: каждое дерево реализовано в виде самостоятельного геометрического объекта, при этом сделано различие между березами и соснами в соответствии с фактическим присутствием этих видов на местности. Пример изображения, созданного с помощью построенной модели, дается следующим рисунком.

Предлагаемая структура ядра университетского городка СФУ

Разработанная модель основана на идее развития университетского городка СФУ на линии между общежитиями бывшего госуниверситета и корпусами бывшего технического университета. Это пространство занято перестойной березой и, как показал анализ, застройка этой территории позволяет свести вмешательство в экосистему березовой рощи к минимуму. Проектом предусмотрено стопроцентное сохранение имеющихся насаждений сосны.

Основными элементами предлагаемого проекта “архитектурного ядра” СФУ являются следующие сооружения:

1. Стадион.
   
2. Бассейн.
   
3. Зал выпускников.
   
4. Офисы преподавателей (3 здания).
   
5. Учебные корпуса (3 здания).
   
6. Главный конференц-зал.
   
7. Бизнес-центр, где разместятся бизнес-инкубатор и офисы фирм-сателлитов СФУ – центральное здание в университетском комплексе.
   
8. Вертолетная площадка.
   
9. Система парковочных площадок и дорожная сеть.
   

При проектировании этих авторы придерживались следующих принципов:

1. Архитектурная преемственность: авторы старались использовать ключевые архитектурные решения, отраженные в главном корпусе СФУ (“колодцы” бывшего госуниверситета) – характерная вертикальная геометрия, внутренние дворики – избегая при этом копирования. Стиль “наружной отделки” новых зданий является развитием дизайнерских идей, использованных в отделке нового корпуса Института архитектуры и строительства (как одного из самых привлекательных зданий СФУ).
   
2. Использование особенностей красивого рельефа местности при проектировании зданий: естественный наклон холма использовался при проектировании конференц-зала; более высокие объекты располагались, как правило, ниже по склону для нивелировки перепада высот.
   
3. Умеренная симметрия каждого сооружения и комплекса зданий в целом. Авторы стремились избегать избыточной симметрии при проектировании зданий, а для университетского городка в целом отказались от симметричного расположения корпусов в пользу геометрии, продиктованной особенностями рельефа. Основа большинства зданий имеет одну плоскость симметрии, а добавочные архитектурные элементы придают им уникальный облик. Иллюстрацией этих принципов является следующий рисунок.
   

Методика обработки многоканальных спутниковых изображений

Получение многоканальных изображений спутников Landsat ETM+ и SPOT 4 повышенной детальности. В ходе выполнения проекта из архива данных станции приема спутниковой информации ВНИИ ГО и ЧС г. Красноярска было получено изображение со спутника SPOT 4, дата съемки 8 мая 2008 года.

Синтез и геометрическая коррекция спутникового изображения производилась в ScanEx Image Processor v. 3.0 (программный продукт ИТЦ СканЭкс), получен синтезированный RGB композит 4, 1 и 2 каналов в проекции Поперечного Меркатора датум WGS 84, зрна 46 N, с пространственным разрешением 20 метров.

В связи с тем, что спектральный диапазон панхроматического и 2 каналов идентичен, в RGB-композите 2 канал был заменен панхроматическим, что позволило добиться улучшения пространственного разрешения с 20 до 10 метров. Данная операция была реализована с использованием модуля Image Fusion – процедуры слияния панхроматического и многозонального изображения с целью получения синтезированного цветного изображения высокого разрешения. При создании синтезированного изображения высокого разрешения используется метод, основанный на использовании метода главных компонент совместно с многоуровневым вейвлет анализом. Что позволяет получать синтезированные изображения в натуральных цветах.

Результатом является RGB композит 4, 1 и 2 каналов, с пространственным разрешением 10 метров, представленный на рисунке 1.




Рисунок 1 – Снимок SPOT 4, Октябрьский район г.Красноярска


В работе так же было использовано изображение, полученное со спутника LANDSAT-7 (США). Спутник LANDSAT-7 является одним из наиболее совершенных и перспективных приборов для дистанционного зондирования. На его борту находится сканер ЕТМ+, имеющий разрешение 30 м во всех спектральных каналах, кроме шестого, где оно равно 60 м. Панхроматический канал, перекрывающий часть видимого и инфракрасного диапазона, обеспечивает разрешение 15 м. Изображение LANDSAT ETM+ территории университетского городка, датированное 06.07.1999 года, Path 142 Row 021, представлено на рисунке 2.





Рисунок 2 – Снимок LANDSAT ETM+, Октябрьский район г.Красноярска


По данным спутникового мониторинга были оцифрованы линии автодорог, учебные корпуса и жилые помещения СФУ, а так же проведена автоматическая классификация спутниковых изображений методом максимального правдоподобия с обучающей выборкой. В результате обработки получены векторные покрытия в виде shape-files c полилиниями автодорог и полигонами зданий, растровое изображение преобладающих на изучаемой территории классов подстилающей поверхности, векторный слой полигонов полученных классов, которые добавлены в ГИС района исследования.


Автоматическая классификация изображений. Классификация – процесс сортировки пикселей в конечное число индивидуальных классов, или категорий данных, основанный на использовании их значений. Если пиксель удовлетворяет определенному набору критериев, то он присоединяется к классу, соответствующему этим критериям. Этот процесс так же соответствует сегментации изображения.

Определение типов подстилающей поверхности в настоящей работе произведено путем выполнения ряда стандартных для данной задачи процедур: пространственного и спектрального улучшения изображения; создания обучающей выборки; проведения классификации.

Создание обучающей выборки проводилось экспертным путем. При этом пиксели, которые представляют различные типы подстилающей поверхности, выбирались путем экспертного распознавания, а так же основываясь на фотоснимках высоко разрешения, полученных в системе Google Maps и данных наземных обследований, проведенных в рамках проекта.

При проведении автоматической классификации рассчитывается статистика по спектральным характеристикам всех пикселей изображения, после чего пиксели сортируются, основываясь на математических критериях. В нашем случае был использован критерий максимального правдоподобия. Изображение, полученное в результате проведения классификации, а так же векторный слой полигонов границ полученных классов, представлены на рисунке 3.




Рисунок 3

Цифровая модель рельефа местности. Одним из способов получения общего представления о поверхности является 3D визуализация. Первым этапом в создании 3D модели местности является создание изолиний рельефа. По форме изолиний можно идентифицировать расположение горных хребтов и рек, а по частоте изолиний крутизну склонов. Изолинии дают ощущение формы поверхности. Изолинии представляют собой линии, соединяющие все смежные точки с одинаковыми значениями высоты. Распределение таких линий определяет распространение рельефа на поверхности.

На основе топографических карт масштаба 1: 50 000, содержащих информацию о рельефе, в виде изолиний и отметок высот была построена цифровая модель рельефа местности.

Процесс создания модели рельефа был реализован c с помощью ГИС-Arc Map. Топографические карты в виде растровых изображений, были пространственно привязаны и преобразованы в проекцию Поперечного Меркатора, датум WGS 84, зона 46 N. Результат проецирования, представлен на рисунке 4.




Рисунок 4


Затем на изображениях были оцифрованы изолинии рельефа местности с шагом 5 метров. В результате был получен shape-file отражающий рельеф, в виде линейного слоя горизонталей, в числе атрибутов которого есть поле высот над уровнем моря.

Изолинии рельефа местности университетского городка СФУ и прилегающей территории, представлены на рисунке 5.



Рисунок 5


На основе изолиний рельефа построена триангуляционная нерегулярная сеть (TIN) которая является слоем, представляющим непрерывное поле значений высот для придания изображению объемного вида. TIN можно рассматривать как сеть связанных треугольников, начерченных между неравномерно распределенными точками, заданными координатами x, y и z. Точки соединяются попарно с ближайшими соседями (по критерию Делоне), таким образом, чтобы в окружность, описанную вокруг любого из треугольников, не попадала ни одна вершина другого треугольника. Плоскости треугольников аппроксимируют рельеф местности. Данная операция была реализована в В качестве входных данных для построения TIN использовались линии перегиба, которые в качестве атрибутивной информации содержат значения высот. Линии перегиба представлены в виде изолиний рельефа, реализованные в созданном shape-file.

На рисунке 6 приведена TIN на район студенческого городка СФУ, рельеф которой задан горизонталями (изолиниями рельефа).




Рисунок 6


Всем горизонталям в данном случае приписаны разные значения высот - от 0 до 506 метров. Полученная триангуляционная сеть адекватно описывает рельеф как важнейший компонент ландшафта и используется для визуализации двумерных объектов (спутниковые изображения, топокарты, элементы автодорог в 3D виде. Данная операция реализуется в Arc Scene, путем “натягивания” изображения на поверхность TIN и установки базовых высот из этой поверхности. А так же служит основой для создания трехмерной модели, интерполируя координату Z , содержащую информацию о высотах над уровнем моря и является необходимым атрибутом для проектирования объектов строительства на территории университетского городка.

3D моделирование. Актуальность применения трехмерного моделирования в области ГИС объясняется, прежде всего, тем, что оно обеспечивает большую наглядность и интерпретируемость данных, предоставляет возможность наиболее полно передавать информацию об изменениях объектов и исследуемой среды с течением времени, а также позволяет реализовать ряд прикладных задач недоступных для решения с использованием двухмерных данных.

Кроме того, по таким моделям пользователи легко могут производить расчеты площадных и объемных характеристик поверхностей и уклонов, экспозиций рельефа, а также выполнять построение профилей и изолиний рельефной поверхности.

3D модель дает полное представление о пространственном распределении векторных и растровых данных и возможность визуальной оценки взаимного влияния различных факторов друг на друга и составления последующего прогноза развития ситуации.

На территорию университетского городка и лесопарковой зоны, прилегающей к нему, построена трехмерная модель рельефа, с наложением данных дистанционного зондирования, трехмерных моделей части существующих и планируемых к постройке зданий и сооружений СФУ, и векторного покрытия автодорог. Результат моделирования представлен на рисунке 7.





Рисунок 7


Исходные данные:

• топографические карты масштаба 1:5000, на основе которых были получены изолинии рельефа и построена TIN;
  
• спутниковое изображение среднего пространственного разрешения SPOT 4;
  
• Полилинии автодорог и полигоны учебных корпусов СФУ полученные путем оцифровки спутникового изображения.
  

Построенная модель рельефа местности позволяет визуализировать пространственную информацию в трехмерные модели объектов для решения задач проектирования объектов инфраструктуры на территории университетского городка. Является инструментом визуально-ландшафтного анализа для определения возможностей и путей адаптации планируемых градостроительных вмешательств. А также позволяет выполнить мониторинг объектов во времени: современное состояние, неосуществленные проектные решения или перспективные проектные предложения.

Материалы, прилагаемые к настоящему отчету

К настоящему отчету прилагается DVD-диск со следующими материалами (которые и являются основным результатом проделанной работы):

1. Файл в формате системы 3ds Max с построенной моделью университетского городка СФУ.
   
2. Два видеоролика (продолжительностью 30 секунд и 3 минуты) “виртуального путешествия” по территории СФУ. Второй ролик записан в двух экземплярах с различными степенями сжатия.
   
3. Двести “фотоснимков” проекта университетского городка СФУ.
   
4. Файлы с цифровыми данными о рельефе местности, полилиниями автодорог и полигонов учебных корпусов СФУ и т.п. топографической информацией.