Создание растровых ЦМР и ЦММ по большим наборам точек лидаров

Растровые модели поверхности (отображающие поверхность в виде сетки равновеликих ячеек) – один из основных типов ГИС-данных. Они могут использоваться различными способами для анализа и удобны для обмена с другими пользователями. Лидар предоставляет вам возможность создавать цифровые модели высокого качества двумя способами: первое отражение сигнала и поверхность земли. Поверхность первого отраженного сигнала формирует модель поверхности по уровню крон деревьев и строений и обычно называется цифровой моделью местности (ЦММ или DSM). Поверхность земли содержит только высоты непосредственно земной поверхности и называется цифровой моделью рельефа (ЦМР или DEM).

На иллюстрации, расположенной слева, методом отмывки показана поверхность первого отраженного сигнала, или ЦММ, а справа – модель рельефа земной поверхности.

Определите, что именно вы хотите создать

Перед началом создания растра по данным лидара нужно вычислить ряд простых показателей:

• Экстент лидарного покрытия
• Число и плотность лидарных точек
• Желаемое выходное разрешение растра
• Экстент выходного растра (растров)
• Формат выходного растра (растров)

Учет этих параметров поможет вам определить, будете ли вы создавать один или несколько растров. Одним из этапов этого процесса будет определение необходимого числа строк и столбцов выходного растра. А это зависит от того, как вы планируете использовать растр: в целях анализа, отображения и совместного использования или распространения данных. Ваше желание работать с одним набором данных может вступить в противоречие с ограничениями, связанными с его размером. Другим важным вопросом является объем имеющихся у вас лидарных данных. Попытка обработать 10 млрд. точек в одном наборе данных, вероятно, покажет громоздкость таких данных. В этом случае вам придется создавать несколько растров для ваших лидарных данных, так что задумайтесь о разбиении на части процесса обработки. Но не только этим вызвана необходимость работать с наборами данных адекватных размеров. Она обусловлена также более короткой длительностью обработки каждого такого набора данных. Чем дольше по времени времени будет выполняться процесс, тем больше вероятность какого-либо сбоя (например, отключение электроэнергии и т.д.).

Когда вы решите разбить данные, следующим вопросом будет "как именно?" Будет ли разбивка основана на регулярной сетке, административных границах или на каких-то других данных? Поскольку наборы лидарных данных, как правило, используются многократно, предпочтительнее разбивать их, основываясь на регулярной сетке или административных границах. Инженер сможет создать мозаику из необходимых ему фрагментов. Если предполагается использовать поверхность в определенной сфере, например, в гидрологических исследованиях, разбивайте ваши данные исходя из логики, используемой в данной сфере. Для гидрологии, к примеру, можно использовать линии водоразделов.

ArcGIS работает с большим количеством растровых форматов данных, а потому у вас есть выбор, в каком формате их сохранять. Решение зависит от направления использования продукта. Если проект открыт для использования широкой публикой, подумайте о формате TIFF или JPEG. Для анализа с использованием платформы ArcGIS воспользуйтесь форматом файловой базы геоданных.

Как только вы поймете, что вы собираетесь создать, вы должны решить, как именно вы будете это делать. Одним из важных моментов является тип создаваемых данных ЦМР и ЦММ.

Мозаика, набор данных LAS или набор данных terrain

ArcGIS предоставляет вам три типа данных для обработки лидарных точек. Ниже содержатся советы, которые помогут вам решить, какой из них использовать.

• Набор данных мозаики является наиболее удобным средством для работы с данными LAS как с растром. Если вас интересует только растровое представление точек лидара, и нет необходимости включать в процесс растеризации линии перегиба, вам подойдет формат мозаики.
• Набор данных LAS может создавать растры непосредственно из файлов LAS и позволяет включать в процесс обработки линии перегиба. Если в дополнение к лидарным данным у вас есть линии перегиба, и вам при этом не нужны продвинутые инструменты, которые поддерживаются базой геоданных, рекомендуем вам использовать набор данных LAS.
• Набор данных terrain – это решение, ориентированное на базу геоданных. С помощью наборов данных terrain вы загружаете из файлов LAS то, что вам необходимо, в базу геоданных (например, x,y,z точек земной поверхности). Файлы LAS можно затем сжать в автономном режиме. Кроме того, можно добавить линии перегиба и создать набор данных terrain, на основе которого затем получить модели ЦМР и ЦММ. Набор данных terrain рекомендуется, если вам не надо работать непосредственно с LAS, у вас есть линии перегиба, вам требуется многопользовательское редактирование и работа с версиями (требуется SDE) или вам нужна фильтрация точек на основе допуска z. Также с наборами данных terrain можно работать, если ваши точечные lidar-данные хранятся в формате ASCII. Наборы данных LAS и мозаики поддерживают лишь формат LAS.

Использование набора данных мозаики

Набор данных мозаики удобен для построения ЦМР и ЦММ на основе точечных данных в формате LAS. Воспользуйтесь инструментами Создать набор данных мозаики (Create Mosaic Dataset) и Добавить растры в набор данных мозаики (Add Rasters To Mosaic Dataset) для определения файлов LAS (или папок с файлами LAS) как растров. Укажите для инструмента LAS в растр (LAS To Raster) Свойства типа (Type Properties) либо точки первого отражения сигнала, либо точки земной поверхности.

После определения мозаики ее можно просматривать как слой карты, использовать в качестве входных данных для инструментов геообработки в целях анализа растровой поверхности, а также в сервисе изображений.

Использование набора данных LAS

Набор данных LAS ссылается на файлы LAS и дополнительные классы пространственных данных, определяющие характеристики поверхности, например, линии перегиба. Наборы данных LAS сохраняются в виде файлов с расширением .lasd. Используйте инструмент геообработки Создать набор данных LAS (Create LAS Dataset) для определения набора данных LAS, а затем создайте слой, добавив его на карту. Установите фильтры точек на закладке Фильтр (Filter) диалогового окна Свойства слоя (Layer Properties) набора данных LAS. Свойства фильтра имеют важное значение, поскольку определяют, какие точки файлов LAS будут обрабатываться. Ни ЦМР, ни ЦММ не создаются на основе всех точек, а потому вам придется работать с фильтром.

Используйте слой с указанным нужным вам фильтром в качестве входных данных для инструмента Набор данных LAS в растр (LAS Dataset To Raster). Растеризация выполняется в основном за счет быстрого биннинга точек. Поскольку лидарные данные по сравнению с другими данными имеют очень высокую плотность, многие считают, что биннинга вполне достаточно, а потому отсутствует необходимость использовать более сложные методы интерполяции. Это в значительной степени соответствует действительности, особенно для данных первого отражения, где плотность точек примерно одинакова. Плотность точек для земной поверхности может быть различной, в зависимости от частоты и плотности расположения наземных объектов (растительности, строений). Данный инструмент позволяет с помощью интерполяции заполнять значениями пустоты (ячейки, для которых отсутствуют измерения), но если таких пустот слишком много, лучше воспользоваться набором данных terrain.

Используйте тип присвоения СРЕДНЕЕ (AVERAGE) для создания ЦМР земной поверхности. Используйте опцию МАКСИМУМ (MAXIMUM) для смещения результата в область более высоких объектов при построении ЦММ.

Использование набора данных terrain

Первый шаг при использовании terrain – загрузка лидарных точек в базу геоданных. Для загрузки ваших лидарных точек в класс мультиточечных объектов воспользуйтесь инструментами геообработки LAS в мультиточки (LAS To Multipoint) или ASCII 3D в класс объектов (ASCII 3D To Feature Class) – в зависимости от формата исходных лидарных данных. Поместите класс мультиточечных объектов в набор векторных данных, если вы собираетесь построить набор данных terrain по лидарным точкам. Хотя вы можете выбрать между использованием файлов LAS и ASCII, бинарный формат LAS является более предпочтительным. Файлы LAS содержат больше информации и, будучи бинарными, более эффективно считываются при импорте. Подробнее об импорте измерений лидара в базу геоданных вы можете узнать в разделе Инструменты импорта и загрузки данных для наборов данных terrain.

Если вы посредством наборов данных terrain будете формировать и поверхность первого отражения, и модель земной поверхности, загрузите лидарные точки в два различных класса мультиточечных объектов – класс, содержащий точки земной поверхности и класс надземных объектов. Terrain земной поверхности ссылается только на точки с высотами земной поверхности. Набор данных terrain первого отраженного сигнала ссылается на тот же класс точек, что и terrain земной поверхности, а также на точки, располагающиеся выше земной поверхности. Это означает, что два набора данных terrain могут ссылаться на один и тот же класс пространственных объектов.

Для наборов данных terrain могут быть построены пирамидные слои – с помощью двух фильтров прореживания точек: z-допуск и размер окна. Для создания ЦМР можно применять любой тип пирамидных слоев. Если вы собираетесь растеризовать набор точек высокого разрешения, воспользуйтесь при создании terrain фильтром по размеру окна, поскольку он работает значительно быстрее. В случае, если вы хотите использовать для анализа прореженные данные, что бывает в случае, если ваши лидарные данные излишне подробны, воспользуйтесь фильтром z-допуска. Хотя этот фильтр будет дольше строить пирамидные слои terrain, чем фильтр по размеру окна, его использование будет предпочтительнее, поскольку он обеспечивает высокую вертикальную точность прореженного представления. Для создания ЦММ воспользуйтесь фильтром по размеру окна с опцией МАКСИМУМ (MAX).

Воспользуйтесь инструментом Terrain в растр (Terrain to Raster) для создания растеризованной модели рельефа. Инструмент содержит параметры интерполяции, выходной размер ячейки и то, какой уровень пирамидных слоев набора данных terrain использовать.

Лучший метод интерполяции – метод естественной окрестности. Хотя он не так быстр, как метод линейной интерполяции, он позволяет чаще всего получить более качественный результат – как с точки зрения внешнего вида, так и в отношении точности. Устанавливайте выходной размер ячейки в зависимости от плотности лидарных точек. Вы не получите никакой прибавки в точности, если будете использовать размер ячейки, значительно меньший среднего расстояния между точками. Также убедитесь, что вы указали экстент анализа в параметрах среды в случае необходимости выбора подмножества. Для выравнивания выходных растров вы можете также использовать растр привязки.

Порядок действий, выполняемых при создании ЦМР из лидарных точек в ArcGIS, описан ниже.

Сначала создайте в ArcCatalog или окне Каталога приложения набор данных terrain, а затем воспользуйтесь инструментами геообработки для преобразования набора данных terrain в растровую ЦМР.

1. Создайте набор данных terrain.

Шаги:

1. Определите исходные данные и порядок включения данных в набор данных terrain.

   Подробнее о представлении исходных данных terrain см. в разделах Представление исходных данных terrain в классах объектов и Типы исходных данных, поддерживаемые наборами данных terrain.

   Примечание:

   Все исходные для построения набора terrain данные должны иметь одинаковую пространственную привязку.

2. Создайте файловую базу геоданных в ArcCatalog или окне Каталога. Щелкните правой кнопкой папку, в которой будет построен terrain и выберите Новый (New), а затем – Файловая база геоданных (File Geodatabase) в контекстном меню.
3. Создайте набор классов объектов. Щелкните правой кнопкой файловую базу геоданных, выберите Новый (New), а затем – Набор классов объектов (Feature Dataset).

   О корректном создании набора классов объектов см. раздел Создание набора классов объектов.

4. Импортируйте исходные измерения в класс пространственных объектов. Эти классы пространственных объектов должны располагаться внутри набора классов объектов, созданного на шаге 3. Подробнее об импорте исходных данных для terrain см. в разделе Импорт исходных измерений набора данных terrain.
5. Постройте набор данных terrain в ArcCatalog или окне Каталога с помощью мастера Новый Terrain (New Terrain).

   Для доступа к мастеру Новый Terrain (New Terrain) щелкните правой кнопкой набор классов объектов и выберите в появившемся меню Новый (New), а затем – Terrain.

   Подробнее о работе с мастером Новый Terrain (New Terrain) см. раздел Построение набора данных terrain с помощью мастера Terrain.

2. Используйте инструмент геообработки Terrain в растр (Terrain To Raster).

Шаги:

1. В Инструментах 3D Analyst (3D Analyst Tools) разверните набор инструментов Конвертация (Conversion), а после этого – набор инструментов Из Terrain (From Terrain). Дважды щелкните инструмент геообработки Terrain в растр (Terrain To Raster), чтобы открыть его.
2. Щелкните кнопку обзора Входная поверхность Terrain (Input Terrain) для добавления набора данных terrain.
3. Щелкните кнопку обзора Выходной растр (Output Raster), чтобы указать местоположение, в котором будет создан набор растровых данных.
4. Укажите в качестве значения дополнительного параметра Тип выходных данных (Output Data Type) 32-битное с плавающей точкой (FLOAT) или 32-битное целое (INT). FLOAT является значением, используемым по умолчанию.
5. В качестве метода интерполяции выберите LINEAR или NATURAL_NEIGHBORS.

   Эти методы интерполяции, основанные на TIN, работают с триангулированной поверхностью terrain. Опция Linear (линейно) выполняет поиск треугольников, содержащих центры ячеек, и использует средневзвешенное узлов треугольников для интерполяции значений. Опция NATURAL_NEIGHBORS использует полигоны Вороного для получения центров ячеек.

   Используйте метод естественной окрестности для интерполяции поверхности terrain. Интерполяция методом естественной окрестности занимает много времени. Однако созданная поверхность получается значительно более сглаженной, чем созданная методом линейной интерполяции. Этот алгоритм, кроме того, менее восприимчив к небольшим изменениям триангуляции.

6. Установите в качестве Расстояния разбиения (Sampling Distance) либо OBSERVATIONS, либо CELLSIZE. Этот параметр влияет на горизонтальное разрешение растра. Укажите после выбранной вами опции значение.

   Метод OBSERVATIONS рассчитывает размер ячейки на основе введенного вами значения и числа ячеек самого длинного ребра растровой поверхности. Можно непосредственно указать размер ячейки, используя опцию CELLSIZE.

7. Укажите разрешение. Параметр разрешения задает уровень пирамидных слоев набора данных terrain, который будет использоваться при конвертации. Для получения набора растровых данных в полном разрешении установите 0 в качестве значения данного параметра. Уровни пирамидных слоев определяются методом z-допуска или размера окна, определяющего примерное разрешение набора данных terrain относительно полного разрешения данных.
8. Задайте параметры среды для непосредственного контроля экстентов создаваемой ЦМР. Чтобы выбрать поднабор в terrain, щелкните кнопку Параметры среды (Environments) в нижней части диалогового окна инструмента геообработки. Щелкните закладку Общие параметры (General Settings) и укажите экстент выходной ЦМР.

С помощью наборов данных мозаики, LAS и terrain вы можете преобразовывать сотни миллионов и даже миллиарды лидарных точек в поверхности ЦММ и ЦМР высокого разрешения. Эти модели поверхности могут затем анализироваться с помощью большого количества инструментов для обработки растров, предоставляемых ArcGIS. Они также прекрасно подходят для создания карт (см. изображение ниже) и, благодаря своей простой структуре, легко могут использоваться совместно.