Procesos de extracción automática by José Moreno

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NUEVOS SENSORES, PROCEDIMIENTOS Y PRODUCTOS EN CARTOGRAFÍA URBANA. PROCESOS DE EXTRACCIÓN AUTOMÁTICA DE INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA Taller IG La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana Sistema Cartográfico de Andalucía Sevilla, 10 de noviembre de 2009

Prof. Dr. Jorge Delgado Garcí García Grupo de Investigación “Sistemas Fotogramétricos y Topométricos” Dpto. Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría Universidad de Jaén e-mail: jdelgado@ujaen.es

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Algunas ideas previas … “Es el momento de la Geografía … para presentar el mundo conocido como único y continuo, describir su naturaleza y posición . . . .” (Geographike Uphegesis, Ptolomeo, s.II) No es posible comprender o gestionar lo que no podemos observar, medir y describir. Una de las preocupaciones permanentes del hombre es el incremento del conocimiento del entorno en el que desarrolla su actividad. Inicialmente a través de sus propios sentidos y su mente … actualmente ayudado por diferentes sensores. There is a lot of sensors and data …. but now what can I do? Actualmente disponemos de más sensores y más información, marcando un nivel sin precedentes en la historia. El principal problema es que la información está aislada y en muchos casos permanece inédita. La puesta a disposición de los usuarios de dicha información permitirá incrementar su valor añadido no de una forma aritmética sino geométrica, algo fundamental para abordar los cambios que se producen en una sociedad como la actual.

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Cartografía y Cartografía Urbana La Cartografía se puede definir como el estudio y la práctica de la elaboración de mapas geográficos. Para conseguir este fin combina ciencia, estética y técnica, partiendo de la premisa de que la realidad puede ser modelizada de forma que la información espacial sea comunicada de una forma efectiva. El s.XX ha sido el “siglo de las ciudades”. En el año 2000 el 40% de la población mundial vivía en las ciudades y dicha población seguirá aumentando en las próximas décadas. El número de ciudades con más de 10 millones de habitantes aumentará hasta 100 en 2025. La Cartografía Urbana tiene unas características peculiares que es necesario tener en cuenta: • Elevado número de objetos a representar: Escala, Exactitud, Complejidad de la escena • Coste elevado de producción • Coste elevado de actualización: gran actividad que requiere una continua actualización • Necesidad social: gran número de usuarios, diversas aplicaciones (urbanísticas, infraestructuras, servicios, emergencias, navegación, geomarketing, …) • Gran valor añadido (debido al valor de las actividades que en ellas se desarrollan)

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Cartografía y Cartografía Urbana

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Planteamiento general s. XX-XXI: Un cambio en la situación … da lugar a una pregunta En el cambio de siglo aparecen nuevos sensores (LiDAR, cámaras digitales, …) que plantean nuevas posibilidades … nos podemos plantear diferentes preguntas: a)¿puede modificar en algo estos nuevos sistemas el esquema actual de captura de información en proyectos de cartografía urbana? b)¿es posible la mejora del rendimiento de los procesos a través de la automatización? c)¿se pueden ofertar nuevos productos o una mejor calidad de los mismos? 2004-2008: Desarrollo de diversos proyectos de investigación 2009: Una respuesta Sí, por supuesto … pero no todo es tan sencillo como parece … se requiere un esfuerzo continuo que permitan el desarrollo de nuevas metodologías y procedimientos de trabajo para obtener toda la información que proporcionan tanto de forma individual como integrada. Con respecto al sector de usuarios requieren una formación continua para conocer los nuevos instrumentos, métodos y productos.

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Cuestiones actuales Extraídas del libro Advances in Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences: 2008 ISPRS Congress Book

¿Cómo podemos abordar la inflación de datos, en particular, de imágenes y de nubes de puntos? Nuestras capacidades actuales de tratamiento siempre van detrás de las capacidades de generación. ¿Cómo puede afectar el incremento de complejidad de los sistemas al trabajo diario? Existe un grave error en considerar que el tratamiento de datos cartográficos se va a convertir en una caja-negra. Es necesario contar con personal bien formado y con unos conocimientos actualizados día a día. Sólo un buen nivel de conocimientos de los técnicos puede asegurar que los procesos sean ejecutados de una forma correcta y que los resultados son de buena calidad.

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Planteamiento general USUARIOS: CARTOGRAFÍA URBANA

Integración de datos y Modelización

GPS

Imágenes Satélite

Datos ambientales

La integración de datos proporciona información adicional LIDAR

Láser escáner terrestre

PGOU Catastro… Imágenes (aéreas y terrestres) Cartografía previa…

En la mayoría de los estudios es necesario contar con información multitemporal y multiescalar Toda la información debe cumplir unos determinados estándares de calidad para asegurar la correspondencia espacial y garantizar la adecuada integración

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Elementos a considerar

La imagen como documento cartográfico en zonas urbanas: la ortofotografía verdadera La extracción automática de información a partir del tratamiento de datos capturados por sensores laser (LiDAR) Los sistemas integrados de cartografía terrestre: Mobile Mapping Systems

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La imagen como documento cartográfico en zonas urbanas. Ortofotografía verdadera Sin duda uno de los mayores cambios registrados en la Cartografía en los últimos años ha sido el empleo masivo de la imagen como documento cartográfico. Esto ha dado lugar al empleo masivo de la ortofotografía y a la puesta en marcha de diferentes programas nacionales y regionales como, el Plan Nacional de Ortofotografía Aérea. La Ortofotografía combina las ventajas del mapa (al contar con escala constante) y de la imagen (al ser un documento no interpretado) siendo muy flexible en cuanto a sus aplicaciones por parte de los usuarios y económico en cuanto a su actualización (frente a la cartografía clásica vectorial). Desgraciadamente estos productos han sido escasamente empleados en entornos urbanos como consecuencia de los problemas derivados de los métodos de generación de ortofotografías digitales, en particular, por los problemas de reflejar los cambios de elevaciones de los elementos en una zona urbana y los problemas de las oclusiones. Así los programas de ortofotografía no incluyen referencias a zonas urbanas (tan sólo la no necesidad de rectificación de las imágenes de los edificios). Taller IG – La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana – Sevilla, 10 de noviembre de 2009

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Procedimiento de generación de ortofotografía

A: malla regular en el fotograma. Perspectiva cónica B: malla regular en un mapa. Proyección ortogonal

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Procedimiento de generación de ortofotografía Xo,Yo,Zo

XA,YA,ZA

XB,YB,ZB Zona ocluída 1 2 1: Ortofotografía verdadera 2: Ortofotografía convencional Taller IG – La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana – Sevilla, 10 de noviembre de 2009

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Proyecto DATOS (2006-2007). Programa PROFIT (MITYC) El objetivo del proyecto fue el desarrollo de una aplicación informática para la obtención de ortofotografías verdaderas. Participantes: Altais, Cartografía y Urbanismo, S.L. / HIFSA / Universidad de Jaén Etapas: 1)Módulo GO: Ground ortho 2)Módulo GO+: Ground ortho con coordenadas refinadas 3)Módulo RGO+: Selección de imágenes por ángulo de inclinación 4)Módulo RTO+: Selección de imágenes para zonas con oclusión 5)Módulo LRTO+: RTO+ incluyendo análisis y corrección local de sombras

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Proyecto DATOS (2006-2007). Programa PROFIT (MITYC)

Análisis de visibilidad múltiple desde objeto

Método de perfiles nadirales Taller IG – La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana – Sevilla, 10 de noviembre de 2009

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Proyecto DATOS (2006-2007). Programa PROFIT (MITYC)

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Proyecto DATOS (2006-2007). Programa PROFIT (MITYC)

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Proyecto DATOS (2006-2007). Programa PROFIT (MITYC)

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Proyecto DATOS (2006-2007). Programa PROFIT (MITYC)

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Proyecto DATOS (2006-2007). Programa PROFIT (MITYC)

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La extracción automática de información a partir de los datos capturados por los sensores láser aerotransportados (LiDAR) En los últimos años se ha registrado un importante interés por los sensores láser aerotransportados como instrumento de captura de información cartográfica. En nuestro país cada día son más frecuentes los proyectos que integran sistemas LiDAR. El producto son nubes de puntos XYZ en sistema de coordenadas terreno (UTM/WGS84)

Superficie escaneada Superficie sin escanear

Escaneo mediante láser de la superficie terrestre

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Instalación combinada cámara digital - LiDAR

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Tratamiento de la información LiDAR Problemas: •Número de datos: habitualmente varios millones que requieren contar con medios adecuados •Datos no interpretados: se mide todo tenga o no interés. Necesidad de clasificación •Datos irregulares: No existe una distribución de acuerdo con una estructura fija dependiendo del sistema de captura •Compleja representación topológica: No existen relaciones entre los puntos Soluciones: •Es necesaria la aplicación de procesos de filtrado y clasificación de información •Habitualmente se suele requerir a interpolación para la simplificación de la estructura •Es necesario un importante esfuerzo en el desarrollo de los procesos de extracción de información

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Extracción de información LiDAR Líneas: •Es una tarea compleja al no existir interpretación en los datos brutos. Las líneas a extraer deben ser límites de objetos o elementos de interés (se requiere una interpretación de los datos) •Existen problemas en la delineación de los objetos al no existir un patrón regular y al existir un espaciado de puntos (medio) •Pueden producirse problemas por los propios errores del LiDAR (coincidencia entre pasadas, errores propios del sistema, etc.) El procedimiento pasa por el cálculo de los momentos 3D en el entorno local del punto (valores propios y vectores propios o matriz de covarianza). Son fundamentales para la delimitación de los límites de los edificios: 1. Generación del MDS (modelo digital de superficies) 2. Cálculo de los gradientes del MDS (por ejemplo, filtro Canny-Deriche) 3. Proceso de histéresis para detectar los mayores gradientes (cornisas de tejados) 4. Encadenamiento de segmentos

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Extracción de información LiDAR Superficies: •Constituye el siguiente paso en complejidad de la extracción de información. •Son elementos fundamentales para la definición de las superficies de los edificios que configurarán los modelos tridimensionales de los mismos que caracterizan su geometría. •La extracción puede ser realizada por diferentes métodos como, por ejemplo, la transformada de Hough. Un plano P que incluye un punto LiDAR (x,y,z) puede ser descrito en función de sus coordenadas esféricas como: Ρ : 0, π  x0, π [→ (θ ,φ ) → ρ = cosθ cosφ x + senθ cosφ y + senφ z Es necesario introducir constreñimientos para reducir el tiempo de cálculo: • Los fachadas son perpendiculares a los tejados • Las pendientes de los tejados tienen una determinada inclinación máxima • Límites de la zona de estudio a fin de establecer los planos

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Extracción de modelos de edificios a partir de datos LiDAR Datos LiDAR

EDIFICIOS Obtención y refinamiento de planta

Filtrado Puntos terreno

Puntos objetos

Modelo simple 2-D

Crecimiento de regiones

Topología bruta 2-D Depuración topología 2D Topología refinada 2-D

Regiones

Área mínima

Extracción parámetros planos y tejados

Vegetación y otros objetos

EDIFICIOS

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Depuración de los bordes de intersección Modelo complejo 3-D

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Resultados. Test de control de calidad Test desarrollado por la EuroSDR (2003) con el apoyo del Finnish Geodetic Institute Información de partida: Imágenes aéreas (información sobre la calibración de la cámara y parámetros de orientación) Información del apoyo terrestre (coordenadas y reseñas) Datos de laser escáner Mapa catastral vectorial de los edificios seleccionados (planta) Zonas de estudio: Espoonlahti (11 edificios): Terreno ondulado, muchos árboles, diversos tipos de edificaciones Hermanni (9 edificios): Vegetación de escasa altura, edificios sencillos Senaatti (6 edificios): Zona del centro histórico de una ciudad de elevada complejidad Vuelos: Escala entre 1:4000 a 1:5300. GSD: 5.5-7.5 cm. Cámara RC-30 Láser escáner: Densidad 1.6 ptos/m2 (Senaatti) a 20 ptos/m2 (Espoonlahti). Sólo 2 puntos en Hermanni Información de control: 980 ptos (Espoonlahti), 400 puntos (Hermanni), 200 puntos (Senaatti) medidos con métodos topográficos convencionales (error estimado en 4.7cm –xy- y 1.2cm –z-, errores máximos en 8.3cm –xy- y 3.5 cm –z-). Parámetros de control: Longitud del edificio, Altura del edificio, Inclinación del tejado. Estadístico de control: Rango intercuartílico de los errores medios cuadráticos Taller IG – La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana – Sevilla, 10 de noviembre de 2009

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Resultados. Test de control de calidad 14 participantes que emplean métodos manuales, semiautomáticos y automáticos, empleando software comercial y desarrollos propios.

IQR Altura: Inferior a 0.2m en la mayoría de los casos IQR Posición: Grandes diferencias entre los métodos y zonas Métodos automáticos comerciales: Cybercity, Stuttgart

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Resultados. Test de control de calidad

IQR Inclinación del tejado: Inferior a 5º en la mayoría de los casos Mejores resultados en sistemas láser (<1º)

Conclusiones: •Mejores resultados en los métodos fotogramétricos en la determinación de la posición y dimensiones de los edificios (0,22m valor medio IRQ) •Que los métodos basados en láser (0,66m) o los métodos combinados (0,44m), como consecuencia de la influencia de la vegetación y la discretización debido al espaciado de los puntos. •Gran influencia en la densidad de puntos así 10 veces mayor densidad permite reducir los errores al 50%. •Mejores resultados de los métodos combinados imagen+láser en la determinación de alturas (0,32m –láser-, 0,18m –combinados-, 0,33m –imagen-) •Mejores resultados de los métodos láser en la determinación de la inclinación de los tejados (2,7º -láser-, 5,2º imagen-) •Mejores resultados en cuanto a precisión en los métodos manuales 0,2-0,3m frente a los automáticos 0,6-1m, pero con un coste de tiempo y precio del producto importante Taller IG – La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana – Sevilla, 10 de noviembre de 2009

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Los sistemas integrados de cartografía terrestre. Mobile Mapping Systems (MMS) Los MMS son quizá uno de los mejores ejemplos de integración de sistemas para la captura y adquisición de información cartográfica (habitualmente en entornos urbanos). Se plantean como una alternativa eficaz a los sistemas actuales basados en el empleo de sistemas topográficos clásicos o de fotogrametría terrestre.

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Mobile Mapping Systems (MMS) Sensor

Funció Función primaria

Funció Función secundaria

GPS

Determina la posición 3D de las cámaras

Controla el error en los sistemas inerciales Proporciona la sincronización al sistema Proporciona las coordenadas terreno en WGS84

INS

Determina la orientación 3D de las cámaras

Enlace de las posiciones GPS Corrige las pérdidas de señal del GPS Proporciona una interpolación precisa entre los puntos GPS

Cámaras

Proporciona dos imágenes del Proporciona redundancia (más de dos objeto para extraer cámaras/imágenes del mismo objeto) información 3D Pueden ser utilizadas para actualizar los datos de navegación mediante triangulación

DMI

Captura de imágenes en intervalos de tiempo

Actualiza la información INS si la señal GPS se bloquea

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Mobile Mapping Systems (MMS) Etapas - Adquisición de datos (imágenes, posicionamiento, orientación, tiempo,…) - Georreferenciación de las imágenes utilizando la información de los sensores de posicionamiento y orientación (POS) - Posicionamiento de los objetos en un sistema cartográfico utilizando las imágenes fotogramétricas previamente orientadas mediante procesos de orientación directa (sin apoyo terrestre o con apoyo muy reducido) Objetivos • Posicionamiento de todos los objetos visibles que tengan interés dentro de un determinado radio (VISAT=30m) con una exactitud RMS de 0.3m mientras que el vehículo se desplaza a 110 km/h. • Adquisición automática con control de calidad en tiempo real • Postproceso de los datos, con módulos independientes para la georreferenciación, la gestión de la base de datos de las imágenes y la garantía de la calidad.

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Mobile Mapping Systems (MMS)

La posición de los objetos se establece mediante orientación directa a partir de la información suministrada por el GPS y el IMU y los vectores existentes entre los sensores. m IMU IMU m IMU s rPm = r(t)GPS + Rt ( )mIMU ( rIMU / s − rIMU/ GPS + µ s Rs rP )

Es necesario tener en cuenta el error de posicionamiento del GPS, el error en la orientación del INS, el error de calibración entre las posiciones de la cámara, el GPS y el INS, los errores de escala, el error de calibración del IMU y de la cámara y, el error de sincronización en el tiempo. Todos estos errores deben ser analizados y compensados a través de procedimientos de calibración de los sistemas.

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Mobile Mapping Systems (MMS). Sistema VISAT (Velocidad captura 110 km/h) Calidad de posicionamiento absoluto Sensores empleados

Horizontal

Vertical

GPS/INS Condiciones ideales

0.13 m

0.08 m

INS Condiciones desfavorables

0.29 m

0.19 m

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Mobile Mapping Systems (MMS). Sistema VISAT (Velocidad captura 110 km/h) Calidad de posicionamiento absoluto. Postproceso (Objetos a 20m de distancia de la cámara) Número de medidas de puntos de imagen

Máx

RMS

Máx

RMS

3 imagenes

5 puntos imagen 10 puntos imagen

0.13 m 0.13 m

0.10 m 0.10 m

0.10 m 0.12 m

0.06 m 0.07 m

5 imágenes

5 puntos imagen 10 puntos imagen

0.06 m 0.07 m

0.05 m 0.05 m

0.14 m 0.17 m

0.11 m 0.11 m

de distancia de la cámara) Número de medidas de puntos de imagen

Máx

RMS

Máx

RMS

3 imagenes

5 puntos imagen 10 puntos imagen

0.82 m 0.47 m

0.69 m 0.35 m

0.91 m 0.91 m

0.78 m 0.78 m

5 imágenes

5 puntos imagen 10 puntos imagen

0.81 m 0.52 m

0.69 m 0.38 m

0.76 m 0.74 m

0.59 m 0.59 m

Peores resultados por: - Pérdida de calidad geométrica de la imagen (imágenes colineales) - Pérdida de calidad para la medida en la imagen (errores 2 píxeles) Taller IG – La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana – Sevilla, 10 de noviembre de 2009

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Mobile Mapping Systems (MMS). Sistema Road-Scanner (Velocidad captura 20 km/h) Control de calidad con elementos externos

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Mobile Mapping Systems (MMS)

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Mobile Mapping Systems (MMS)

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Mobile Mapping Systems (MMS). Conclusiones •En la actualidad los MMS se han desarrollado desde un instrumento de investigación a un instrumento de producción. Se están comercializando los primeros sistemas (VISAT: 200.000 $). •La tecnología de posicionamiento GPS/INS es una tecnología madura, utilizada por ejemplo, en los sistemas LiDAR. El avance de los sistemas POS es continuo con mejores sensores, mejores procedimientos de calibración y procesos de refinamiento de la integración de los datos. •La mejora que se prevé en un futuro inmediato de los procedimientos de tratamiento automático de imágenes (derivados de la Visión Automatizada o Computer Vision) plantean una inmejorable situación a este tipo de sistemas con indudables aplicaciones en el ámbito de la Cartografía Urbana de gran precisión (inventario de elementos urbanos) introduciendo un importante nivel de automatización de los procesos.

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Las necesidades de contar con información 3D en las zonas urbanas es cada día mayor, con diversas aplicaciones (urbanismo, servicios, catastro, gestión de emergencias, incluso otras como redes de telefonía móvil, juegos informáticos, etc.) poniendo de manifiesto el paso de los SIG2D a los SIG3D. En países como Japón o Alemania ya se cuenta con modelos 3D de las ciudades más importantes desarrollados con herramientas automáticas o manuales.

Fotografía de Ginza

Modelo 3D de Ginza (Tomadas de Takase et al., 2008)

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Generación de modelos. Procedimiento manual Es una tarea muy laboriosa que requiere contar con personal especializado: 1. Digitalización del mapa y obtención de un mapa digital de la zona 2. Vectorización de los bordes de los objetos (fundamentalmente edificios) en un sistema CAD con información 2D 3. Incorporación de la información 3D en cada elemento a través de información disponible o capturada para tal fin (altura de los objetos) Se trata de una metodología que no puede ser aplicada sobre grandes superficies (elevado coste) ni en un tiempo reducido de tiempo (gran carga de trabajo).

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Generación de modelos. Procedimiento automático Se plantea como una alternativa que está siendo aplicada con éxito en diversos países:

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Generación de modelos. Procedimiento automático (información de partida) Información

Especificaciones

Datos LiDAR

Proporciona la elevación del terreno y de los edificios Espaciado: Aprox. 1m Exactitud horizontal: 0.3m Vertical: 0.15m Todos los puntos tienen la información en las coordenadas del producto final

Imágenes aéreas Capturadas con sensores digitales y georreferenciadas en las coordenadas del producto final GSD: 0.2-0.4m/pixel Mapa digital 2D

Base de datos vectorial del mapa 2D a escala 1:2500 Entidades y atributos de los diferentes objetos (edificios, carreteras, ferrocarriles, etc.)

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Generación de modelos. Procedimiento automático (herramientas del sistema) Información

Especificaciones

Generación modelo edificios

Proporciona la geometría del edificio a partir de la información 2D del mapa vectorial y los datos LiDAR (3D)

Edición modelo edificios

Utilizada para la corrección de errores en el modelo generado.

Modelización del terreno

Generación del MDT a partir de la información del sistema LiDAR y del mapa vectorial a través de técnicas de filtrado y de generalización dando lugar a un modelo en estructura TIN

Modelización de objetos sobre elevados

Incorporación de objetos sobreelevados (autopistas, puentes, …) utilizando la información vectorial del mapa 2D y los datos LiDAR

Edición de texturas

Permite incorporar las texturas para mejorar la sensación de realismo al modelo. Las texturas pueden ser imágenes fotogramétricas terrestres georreferenciadas

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Generación de modelos. Procedimiento automático (herramientas del sistema)

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Generación de modelos. Procedimiento automático (herramientas del sistema)

http:///www.jaen3d.org Taller IG – La Producción, Gestión y Explotación de Cartografía Urbana – Sevilla, 10 de noviembre de 2009

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Generación de modelos. Procedimiento automático (herramientas del sistema)

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MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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