ESPERIENZE DI ESTRAZIONE SEMIAUTOMATICA DI EDIFICI DA DSM LASER

Vittorio CASELLA (*), Marco GRAMPELLA (**)

(*) DIET, Università di Pavia, via Ferrata 1, Pavia, email: casella@unipv.it (**) Neolaureato - email: marco.grampella@libero.it

Riassunto La presente nota descrive un lavoro di estrazione semiautomatica di edifici da dati laser scanning, effettuata con il software TerraScan della Ditta finlandese TerraSolid. Tale lavoro è stato svolto su una zona abbastanza estesa della città di Pavia, che presenta una buona varietà di edificato, con edi-fici dalla forma molto semplice, ma anche altri, più complessi. E’ stata condotta una validazione rigorosa mediante confronto con la cartografia 1:2000, con foto aeree e con misure topografiche.

1 Abstract The paper describes a test on semi-automated building extraction from laser scanning data. It was performed with the TerraScan software programme, sold by the Finnish company TerraSolid. The test was carried on quite a large part of Pavia, where different types of buildings can be seen: some are simple, some are quite complicated. A quality check was performed, by comparison with the official 1:2000 map, by comparison with aerial pictures and by land surveying.

2 Introduzione L’estrazione automatica o semiautomatica degli edifici dai dati laser scanning è attualmente uno dei maggiori argomenti di ricerca nel settore. Al momento esiste un solo software commerciale capace di effettuare tale operazione e la nota ha proprio lo scopo di verificarne la funzionalità rispetto a: (i) la possibilità di applicare la metodologia a una zona ampia e rappresentativa delle tipologie di edifi-cato delle città italiane; (ii) i tempi necessari per completare le operazioni; (iii) il grado di dettaglio e le precisioni conseguibili. Per raggiungere tali obiettivi è stata scelta una zona di Pavia appartenente al quartiere Città Giardi-no, compresa tra via Bona di Savoia a Nord, via Guglielmo Marconi a Est e l’Alzaia del Naviglio a Sud e ad Ovest. Essa contiene 126 edifici dalla struttura molto varia: ve ne sono di molto semplici, come delle rimesse per auto con tetti piani, e altri più complessi che presentano tetti a più falde e geometria della pianta non regolare, come la Figura 1 mostra. Per la zona considerata esistono due dataset laser, prodotti con sensori Optech ALTM 1210 e To-posys I. Dopo una attenta comparazione sono stati scelti i dati Optech, meno densi, ma più omoge-nei dei dati Toposys che, pur essendo notevolissimi sotto molti punti di vista, per la loro irregolare distribuzione superficiale mal si prestano all’uso con il programma TerraScan.

Figura 1 – Panoramica del modello tridimensionale realizzato

3 Cenni alla sequenza di produzione del modello tridimensionale Prima di procedere all’estrazione degli edifici, è necessario selezionare, nell’insieme dei punti misu-rati, quelli che ragionevolmente sono stati generati dai tetti. E’ anzitutto necessario che venga estratto dal DSM il DTM. Si tratta di una applicazione ben nota dei dati laser e un po’ più matura dell’estrazione di edifici. TerraScan è capace di effettuare tale o-perazione, che è stata preliminarmente condotta per la zona in questione: il risultato è la superficie grigia nella Figura 1. Successivamente il programma elimina i punti che, pur non appartenendo al terreno, sono altime-tricamente prossimi ad esso e dunque non appartengono ragionevolmente ai tetti: sono i punti gene-rati dalla vegetazione bassa, per esempio. Una volta eliminati dall’insieme complessivo dei punti quelli appartenenti al terreno e quelli molto vicini ad esso, è stato costituito l’insieme dei punti probabilmente generati dal tetti, che il program-ma usa per l’estrazione degli edifici, mostrati in rosso nella a sinistra. Figura 2

Figura 2 – I punti sparsi e i piani estratti automaticamente

All’operatore è richiesto di perimetrare i punti appartenenti ad un singolo edificio, mediante una po-lilinea. A questo punto il programma ricerca in automatico tutti i piani che ragionevolmente passano per i punti indicati, che vengono mostrati come nella a destra. Figura 2Dopo la prima estrazione all’operatore è richiesto un lavoro di editing e validazione. In questo lavo-ro egli è aiutato da molteplici viste in sezione, in pianta e assonometriche. L’operatore deve anzitut-to eliminare piani spuri, come quelli generati dalla vegetazione alta, i cui echi sono ovviamente pre-senti e può successivamente lanciare una funzione che rende i piani rimasti congruenti fra di loro. Una applicazione iterativa dei passi rapidamente descritti e l’uso di strumenti di editing anche più radicali, nei soli casi molto complessi, consente di arrivare ai risultati descritti nella nota. Una volta ricostruiti il modello puramente geometrico mostrato dalla Figura 1, lo si può completare colorando gli edifici e anche spalmando una foto aerea su di esso, come la Figura 3 mostra.

Figura 3 – Il modello tridimensionale vestito

La ricostruzione delle case più semplici, da quelle con tetti piatti a quelle con tetti a quattro falde è pressoché automatica, mentre quando la geometria dei tetti si complica e sono presenti balconi e vo-lumi tecnici il procedimento diventa in parte manuale, e richiede all’operatore di riuscire a capire la geometria del tetto dove il programma non vi riesce. Per le case più complesse occorre quindi un tempo maggiore per la ricostruzione e sale il rischio di non ricostruire correttamente gli edifici. Si propongono di seguito alcune viste dettagliate che consentono di apprezzare la qualità del model-lo ricostruito.

Figura 4 – Viste sul modello tridimensionale prodotto

E’ stato possibile ricostruire anche volumi tecnici come abbaini e torri degli ascensori, come la mostra. Figura 5

Figura 5 - Viste sul modello tridimensionale prodotto

4 Verifiche del modello tridimensionale ricostruito Il modello è stato verificato con tre metodi: un confronto diretto, tramite sovrapposizione con la car-tografia al 1:2000 della zona di studio; un confronto visivo con le foto aeree e per ultimo una verifi-ca sul campo con la topografia classica.

Figura 6 – Confronto fra il modello tridimensionale, mostrato in pianta in colore rosso

e la cartografia al 1:2000

Nella Figura 6 è visibile la proiezione del modello, in rosso, sulla carta al 2000 in nero. Le case ri-costruite col modello sono più grandi di quelle presenti sulla carta in quanto il modello rappresenta i tetti dei palazzi, mentre sulla carta al 1:2000 sono visibili i cassoni delle case. Il confronto con la cartografia evidenzia la completezza del modello e la sua fedeltà alla realtà. Un ulteriore confronto con le foto aeree disponibili ha consentito di verificare la ricostruzione in riferimento alle falde dei tetti. E’ stata anche condotta una verifica rigorosa della precisione del modello tridimensionale costruito. Sono stati individuati su di esso 45 particolari significativi, per la gran parte punti appartenenti ai

tetti, e rilevabili da terra con la Topografia, cosa non sempre facile. Allo stesso tempo sono stati mi-surati anche 12 punti notevoli della cartografia al 1:2000, soprattutto spigoli di edifici, in modo da validare anch’essa, anche se in modo meno significativo, e da poter effettuare un confronto fra la precisione della carta, lo strumento tradizionale per la conoscenza del territorio, e quella del moder-no modello tridimensionale. Per effettuare le misure topografiche è stata anzitutto creata una poligonale in alcune delle strade più larghe comprese nella zona test. Tre vertici della poligonale sono stati misurati con GPS, il che ha consentito di validare i risultati e al tempo stesso di inquadrarli nel sistema di riferimento della cartografia. Per favorire le misure GPS, la poligonale è stata progettata in modo da avere inizio e fi-ne in due piazze. Dai vertici di poligonale sono stati misurati i punti di dettaglio con tecniche di intersezione in avanti o semplicemente di punti lanciati, grazie alla disponibilità di un teodolite reflectorless. La Figura 7 illustra le misure topografiche effettuate.

Figura 7 – Sintesi delle misure topografiche effettuate

Le tabelle riassumono media e deviazione standard delle differenze per tutte le componenti X, Y e Z, per il modello tridimensionale e per la cartografia.

Modello tridimensionale dell’edificato

∆X (m) ∆Y (m) ∆Z (m)

Media 0,26 -0,05 -0,07

Std 0,60 0,57 0,28

Tabella 1 – Analisi statistica delle differenze mod topo−X X , in metri, determinata su 45 punti

Emergono l’assenza di sistematismi, verificata con test t al 99% e la buona precisione che caratte-rizza il modello tridimensionale. Considerando che i dati laser usati hanno una densità di circa 1 pt/mq, non elevatissima per lo scopo, riteniamo i risultati ottenuti di grande interesse.

Cartografia al 1:2000 ∆X (m) ∆Y (m) ∆Z (m)

Media 0,01 -0,60 -0,66

Std 0,89 1,00 0,40

Tabella 2 - Analisi statistica delle differenze cart topo−X X , in metri, determinata su 12 punti

La cartografia presenta dispersioni leggermente peggiori, anche se come detto la stima è meno affi-dabile. Il sistematismo in quota si spiega ricordando che la quota della cartografia è stata probabil-mente determinata all’altezza delle gronde, mentre i punti di controllo sono stati misurati all’intersezione dei cassoni con i tetti, cioè più in alto.

5 Conclusioni E’ stata condotta una sperimentazione sulla possibilità di estrarre modelli tridimensionali dell’edificato da dati laser scanning, in modo semiautomatico, con il programma TerraScan. L’esperimento ha avuto un esito positivo in quanto è stato possibile ricostruire completamente la zona test scelta. Il modello realizzato è completo e la sua accuratezza è simile a quella della carta al 1:2000. Sarebbe probabilmente possibile ottenere risultati migliori usando dati laser omogenei e più densi di quelli usati durante il test.

6 Ringraziamenti I dati utilizzati in questo studio provengono dal Progetto di Ricerca di Rilevante Interesse Naziona-le, cofinanziato dal Murst per l’anno 1998, intitolato Riprese con laser a scansione, integrate da GPS, per la produzione di modelli numerici finalizzati alla realizzazione di cartografia 3D e ortofo-to digitali coordinato dal professor Riccardo Galetto dell’Università di Pavia. Il contributo dato dagli autori per la preparazione della presente nota è stato paritetico.

7 Bibliografia Friedrich Ackermann. (1999) – Airborne laser scanning _ present status and future expectations - ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, Vol. 54, July 1999, pp. 64-67

Peter Axelsson (1999) – Processing of laser scanner data _ algorithms and applications - ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, Vol. 54, July 1999, pp. 138-147

V.Casella, R.Galetto, A.Spalla (2000) – Il progetto Cofin98 sull’impiego del laser a scansione - Bollettino SIFET, n.2, 2000, pp.13-26

Hans-Gerd Maas. (1999) - Fast determination of parametric house models from dense airborne la-serscanner data – Bangkok, Thailand, April 21-23, 1999

Hans-Gerd Maas, George Vosselman. (1999) - Two algorithms for extracting building models from raw laser altimetry data - ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, Vol. 54, July 1999, pp. 153-163

Hiroshi Murakami, Katsuto Nakagawa, Hiroyuki Hasegawa, Taku Shibata, Eiji Iwanami. (1999) - Change detection of buildings using an airborne laser scanner- ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, Vol. 54, July 1999, pp. 148-152