BRPI0711364A2 - método implementado por computador e sistema de computador para gerar um modelo de superfìcie digital (dsm) de imagem texturizada - Google Patents

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Abstract

<UM>MéTODO IMPLEMENTADO POR COMPUTADOR E SISTEMA DE COMPUTADOR PARA GERAR UM MODELO DE SUPERFìCIE DIGITAL (DSM) DE IMAGEM TEXTURIZADA<MV> Um método implementado por computador para gerar um modelo de superfície digital (DSM) de imagem texturizada para uma área geográfica de interesse (21) que inclui edifícios e terreno pode incluir um computador (24) para gerar um modelo de elevação digital (DEM) (40) dos edifícios e do terreno para a área geográfica de interesse (32) O método pode incluir ainda proporcionar uma coleção de imagens ópticas que incluem imagens ópticas oblíquas para a área geográfica de interesse que inclui edifícios e terreno (34) O computador também pode ser usado para superpor seletivamente imagens oblíquas provenientes da coleção de imagens ópticas sobre o DEM dos edifícios e do terreno para a área geográfíca de interesse e para gerar desse modo o DSM de imagem texturízada (46-49) para a área geográfica de interesse incluindo tanto edifícios quanto terreno (36)

Description

MÉTODO IMPLEMENTADO POR COMPUTADOR E SISTEMA. DE COMPUTADOR PARA GERAR UM MODELO DE SUPERFÍCIE DIGITAL (DSM) DE IMAGEM TEXTURIZADA
Refere-se a presente invenção ao campo da topografia e, mais particularmente, a métodos automa- tizados e sistemas relacionados para a geração de mo- delos topográficos.
Os modelos topográficos de áreas geo- gráficas podem ser usados para muitas aplicações.
Por exemplo, os modelos topográficos podem ser usados em simuladores de vôo e para o planejamento de mis- sões militares. Além disso, modelos topográficos de estruturas feitas pelo homem (por exemplo, cidades) podem ser extremamente úteis em aplicações tais como colocação de antenas, planejamento urbano, estado de preparação e análise de catástrofes, e mapeamento, por exemplo.
Vários tipos e métodos para produzir mo- delos topográficos são presentemente usados. Um mo- delo topográfico comum é o mapeamento de elevação di- gital (DEM) . Um DEM é uma representação de matriz a- mostrada de uma área geográfica que pode ser gerada de uma maneira automatizada por um computador. Em um DEM, fazem-se corresponder pontos coordenados com um valor de altura. Os DEMs são usados tipicamente para modelar terreno onde as transições entre diferentes elevações (por exemplo, vales, montanhas e assemelha- dos) são geralmente regulares de uma para a seguinte. Isto é, os DEMs tipicamente modelam o terreno como uma pluralidade de superfícies curvas e quaisquer descon- tinuidades entre elas são deste modo "atenuadas".
Desta forma, em um DEM típico objetos distintos não estão presentes no terreno.
Por outro lado, um modelo de superfície digital (DSM) é uma descrição baseada em quadriculação do terreno que inclui objetos no terreno, tais como edifícios e vegetação. Uma abordagem para gerar DSMs consiste em representar objetos manualmente ou semi- automaticamente, e então adicionar textura "pintando- se" manualmente os objetos ou superpondo-se imagens nos mesmos. Muito embora esta abordagem possa propor- cionar um DSM de aparência muito realista da área de interesse, esta abordagem é muito trabalhosa e, portan- to, de custo proibitivo para muitas aplicações.
Tentaram-se outras abordagens para gerar DEMs texturizados utilizando-se abordagens mais auto- matizadas {isto é, muito menos trabalhosas). Uma des- tas abordagens encontra-se destacada em um artigo da E-Newsletter intitulado "Contours" a partir da Tec- plot, Inc., Issue 21, Sept. 2003 (disponível em tec- plot. com/showcase/contours/issue_21/article04.htm). Este artigo discute o uso de software Tecplot para a- plicar mapeamento de textura aos arquivos DEM. Mais particularmente, o artigo discute como o Tecplot pode ser usado para mapear textura de uma imagem nadir única a um DEM.
Muito embora esta abordagem possa propor- cionar texturização bastante realista para DEMs de terre- no relativamente não desenvolvido, esta abordagem pode não proporcionar resultados desejados para áreas geográ- ficas de interesse, tais como cidades que incluem um grande número de objetos feitos pelo homem. Isto é porque edifícios, torres, e assemelhados, são dotados de muitos lados diferentes, e os aspectos nos lados de tais objetos podem não ser adequadamente capturados por uma única imagem de nadir.
Um produto de modelagem de local 3D particularmente vantajoso é o RealSite® proveniente da presente cessionária, Harris Corp. 0 produto de modelagem de local RealSite® pode ser usado para re- gistrar imagens de recobrimento de uma área geográfi- ca de interesse, e extrais DEMs de alta resolução utilizando-se técnicas de visualização estéreo e nadir. O produto de modelagem de local RealSite® site apresenta os modelos de edifícios 3D (isto é, estruturas feitas pelo homem) baseados na seleção de operador manual de vértices de objetos, formas e assemelhados, e estes modelos são superpostos nas posições apropriadas em um DEM. Vários tipos de formas poligonais podem ser então superpostas nos objetos modelados, e imagens com o melhor ângulo de coleta para cada polígono são selecionadas automati- camente como um mapa de texturas baseadas em um tes- te de obscurecimento.
Embora o produto de modelagem de local de RealSite® proporcione DSMs 3D extremamente rea- listas, esta abordagem pode não ser apropriada para determinadas implementações por causa dos custos operacionais potencialmente altos associados com a definição manual de numerosos vértices, formas e assemelhados de edifícios, para grandes áreas urba- nas. Isto é, o alto nível de detalhe e delineação definida do objeto proporcionado pelo produto de mo- delagem de local RealSite® pode ser maior do que aque- le que é requerido em determinadas circunstâncias.
Em vista dos antecedentes expostos, constitui, portanto, um objetivo da presente inven- ção proporcionar um método e sistema automatizado ou implementado por computador para gerar modelos de superfície digital (DSMs) de imagem texturizada para áreas geográficas de interesse.
Este e outros objetivos, aspectos e vantagens são proporcionados por um método imple- mentado por computador para gerar um modelo de su- perfície digital (DSM) de imagem texturizada pata uma área geográfica de interesse que inclui tanto edifí- cios quanto terreno (isto é, solo e/ou vegetação). O método pode incluir usar um computador para gerar um modelo de elevação digital (DEM) dos edifícios e do terreno para a área geográfica de interesse, e proporcionar uma coleção de imagens ópticas que in- clui imagens ópticas oblíquas para a área geográfica de interesse, que inclui tanto edifícios quanto ter- reno. O método pode incluir ainda usar o computador para superpor seletivamente imagens ópticas oblíquas a partir da coleção de imagens ópticas sobre o DEM tanto dos edifícios quanto do terreno para a área geográfica de interesse e para gerar dessa maneira o DSM de imagem texturizada para a área geográfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto ter- reno.
Mais particularmente, utilizando-se o compu- tador para se sobrepor seletivamente pode incluir utili- zar-se o computador para sobrepor seletivamente a plu- ralidade de imagens ópticas sobre o DEM com base nas quantidades respectivas de obstrução associadas com cada imagem em uma determinada posição. Adicionalmente, utilizar-se o computador para gerar o DEM pode incluir utilizar-se o computador para gerar dados gradeados contínuos de elevação versus posição de conformidade com uma grade de posição predeterminada. Desta for- ma, utilizar-se o computador para sobrepor seletiva- mente pode incluir utilizar-se o computador para ge- rar uma pluralidade de polígonos correspondentes à elevação gradeada versus dados de posição para o DEM, e sobrepor seletivamente as imagens ópticas oblíquas dentro dos respectivos polígonos.
A título de exemplo, os polígonos podem ser triângulos. A grade de posição predeterminada po- de incluir uma pluralidade de colunas espaçadas, e os polígonos podem ter vértices posicionados nas colunas. Da mesma forma, as colunas podem ter um espaçamento uniforme entre elas menor do que cerca de 100 cm, e as imagens ópticas oblíquas podem ter uma definição mais alta do que cerca de 20 cm, por exemplo. Além disso, a coleção de imagens ópticas pode incluir ainda pelo menos uma imagem óptica nadir da área geográfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto terreno, e utilizar-se o computador para gerar o DEM pode incluir utilizar-se o computador para gerar o DEM com base na pelo menos uma imagem óptica nadir e pelo menos uma da pluralidade de imagens ópticas oblíquas. Mais especi- ficamente, a pelo menos uma imagem óptica nadir pode incluir um par de imagens ópticas nadir estéreo.
Um sistema de computador para gerar um modelo de superfície digital de imagem texturizada (DSM) para uma área geográfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto terreno, pode incluir uma base de dados para armazenar uma coleção de imagens ópticas que inclui imagens ópticas oblíquas para a área geo- gráfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto terreno. O sistema pode incluir ainda um processador para gerar um modelo de elevação digital (DEM) tanto dos edifícios quanto do terreno para a área geográfica de interesse. O processador pode ser também para su- perpor seletivamente imagens ópticas oblíquas a partir da coleção de imagens ópticas sobre o DEM tanto dos edifícios quanto do terreno para a área geográfica de interesse e para gerar desse modo o DSM de imagem texturizada para a área geográfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto terreno.
A Figura 1 é um fiuxograma de um método para gerar um modelo de superfície digital de imagem texturizada (DSM) de acordo com a presente invenção.
A Figura 2 é um diagrama de blocos es- quemático de um sistema para gerar um modelo de su- perfície digital de imagem texturizada (DSM) de acor- do com a presente invenção.
A Figura 3 é fiuxograma de uma concreti- zação alternativa do método da Figura 1.
A Figura 4 é uma impressão de tela de computador de um modelo de elevação digital (DEM) u- sado para geração de um DSM de imagem texturizada de acordo com a invenção.
A Figura 5 é uma impressão de tela de computador do DEM da Figura 4 depois da geração de polígonos correspondentes na mesma.
As Figura 6-9 são impressõeses de telas de computador de um DSM de imagem texturizada de a- cordo com a invenção a partir de direções norte, sul, este e oeste, respectivamente.
A presente invenção será descrita em se- guida de forma mais detalhada com referência aos de- senhos anexos, em que estão ilustradas concretiza- ções preferidas da invenção. Esta invenção pode, entretanto, ser concretizada de muitas formas dife- rentes e não deverá ser considerada como limitada às concretizações expostas neste contexto. Em vez dis- so, , estas concretizações são proporcionadas de for- ma que esta exposição plena e completa, e dará a en- tender plenamente o escopo da invenção àqueles ver- sados na técnica. Números de referência referem-se a elementos iguais em todo o contexto, e utiliza-se notação com plicas para indicar elementos semelhan- tes nas concretizações alternativas.
Fazendo-se referência inicialmente às Figuras 1 a 3, descreve-se inicialmente um método e sistema 20 para gerar um modelo de superfície digital de imagem texturizada (DSM) para uma área geográfica de interesse 21. Começando-se no bloco 30, o método inclui ilustrativamente gerar um modelo de elevação digital (DEM) de tanto edifícios quanto terreno para a área geográfica de interesse 21, tal como será discu- tido adiante mais amplamente, e proporcionando uma co- leção de imagens ópticas que inclui imagens ópticas oblíquas para a área geográfica de interesse 21, nos blocos 32, (ou 32' na Figura 3), 34. No exemplo ilus- trado, a área geográfica de interesse 21 é uma cidade que inclui tanto edifícios quanto terreno. Conforme usado neste caso, "edifício" significa qualquer estru- tura feita pelo homem (por exemplo, residências, edi- fícios de escritórios, tanques de armazenamento, arma- zéns, campos de esportes, e assemelhados). Além disso, "terreno" pretende incluir solo e/ou vegeta- ção (por exemplo, árvores, arbustos, florestas e as- semelhados) presentes na área geográfica de interesse 21.
A titulo de exemplo, as imagens ópticas oblíquas podem ser coletadas por um ou mais disposi- tivos de coleta de imagens transportados por um avião 22a sob ângulos oblíquos em relação à área de inte- resse 21 (isto é, em relação à normal a partir de uma superfície da terra), no bloco 41'. Além disso, um ou mais nadirs de imagem óptica podem ser captados diretamente acima da área de interesse 21 e também incluídos dentro da coleta de imagens. No exemplo ilustrado isto é feito utilizando-se um ou mais dispositivos de coleta de imagens carregados por um avião 22b.
Naturalmente, deverá ser observado que outras plataformas além de aviões podem ser usadas para coletar as nadir e/ou imagens oblíquas da área de interesse 21 (por exemplo, satélites, pequenos ba- lões dirigíveis, veículos terrestres móveis e asseme- lhados) , ou estas imagens podem ser coletadas a par- tir de locais predeterminados em torno da área de in- teresse, tal como será apreciado por aqueles versados na técnica. Imagens de nadir estéreo podem ser usa- das para proporcionarem combinações de pares de dados correspondentes para a área de interesse e, assim, precisão aumentada, mas também pode ser usadas ima- gens individuais ou mono nadir. A titulo de exem- plo, as nadir e/ou imagens ópticas oblíquas podem ter preferentemente uma resolução mais alta do que cerca de 20 cm, por exemplo, muito embora também possam utilizar-se outras resoluções.
As imagens oblíquas e nadir coletadas pelos aviões 22a, 22b são inicialmente "brutas" no sentido de que elas não são relacionadas umas com as outras ou estão em um quadro de referência comum (isto é, uma grade). Estas imagens brutas podem ser ramazenadas em uma base de dados 23, por exem- plo, para transferência para um processador 24 (por exemplo, uma CPU de estação de trabalho na concre- tização ilustrada) para processamento. Podem ser usados vários métodos de transferência de dados a partir do coletor para a base de dados 23, tais co- mo meios de armazenamento magnético, dispositivos FLASH, ligações de dados sem fio, e outros.
Tal como será apreciado por aqueles versados na técnica, a posição de um dispositivo de coleta em um dado instante quando ele captura uma imagem pode ser determinada com um grau de precisão relativamente alto utilizando-se, por exemplo, tec- nologia de posicionamento por satélite (por exem- pio, GPS), altímetros, e assemelhados. Assim, esta informação de posição pode ser usada vantajosamente para relacionar ou registrar as imagens brutas a uma grade de posição predeterminada (e assim umas com as outras), tal como será igualmente apreciado por r aqueles versados na técnica (bloco 42') .
A grade pode incluir uma pluralidade de colunas espaçadas igualmente que definem a densidade da grade. Ou seja, quanto mais afastadas uma das ou- tras se encontram as colunas, mais baixa será a den- sidade da grade (e, assim, o DEM criado na mesma) , e vice-versa. A titulo de exemplo, um espaçamento de colunas preferido pode ser menos do que cerca de 100 cm (isto é, o espaçamento de cena real), e, com maior preferência, menos do que de cerca de 70 cm, muito embora possa utilizar-se outro espaçamento em concre- tizações diferentes. Deve ser observado que a rela- ção entre espaçamento de colunas e densidade de ima- gens não é linear, isto é, a diminuição do espaçamen- to das colunas pode resultar em um aumento exponenci- al na densidade da grade, e deste modo um aumento ex- ponencial na densidade do DEM. Desta forma, os re- quisitos de processamento para geração do DEM aumen- tam correspondentemente com a densidade da grade, de forma que em uma determinada implementação o espaça- mento de colunas pode ser selecionado em parte, por exemplo, baseado na densidade de DEM desejada e re- cursos de processamento disponíveis.
Uma vez relacionadas com a grade, a(s) imagem(s) nadir podem ser usadas para se determinar um contorno de topos de objetos (por exemplo, topos de testos), enquanto uma ou mais imagens oblíquas corres- pondentes podem ser usadas para se determinar a posi- ção e altura do objeto determinado, tal como será apre- ciado por aqueles versados na técnica. Os pontos de da- dos de posição e altura podem ser então salvos como um DEM de alta resolução da área de interesse 21, tal co- mo o DEM 40 ilustrado na Figura 4, nos blocos 32, 32'. Vantajosamente, o processador 24 pode gerar o DEM a partir dos nadir/imagens ópticas oblíquas car- regados automaticamente com base nos parâmetros esta- belecidos por um operador em uma ferramenta de soft- ware apropriada, tal como será igualmente apreciado por aqueles versados na técnica.
Naturalmente, deverá ser observado que poderão ser igualmente usadas outras abordagens para gerar o DEM. Por exemplo, o DEM pode ser gerado medi- ante utilização de outros tipos de dados, tais como detecção e regulação de alcance de luz (LIDAR), radar de abertura sintética (SAR), eletro-óptico, infraver- melho, hiper-espectral, e outros, tal como será igual- mente apreciado por aqueles versados na técnica.
Falando-se de um modo geral, o método in- clui, ainda ilustrativamente, utilizar-se o processador 24 para sobrepor seletivamente a pluralidade de imagens ópticas oblíquas sobre o DEM 40 para gerar deste modo o DEM de imagem texturizada para a área geográfica de in- teresse, que inclui os edifícios e terreno, no bloco 36. Mais particularmente, uma pluralidade de polígonos 45, tais como triângulos, por exemplo, são gerados pelo processador 24 que correspondem aos dados de elevação versus posição gradeados para o DEM (Figura 5) (bloco 35'). Isto é, os vértices dos triângulos ficam locali- zados nas mesmas posições que as colunas de grade, mas as alturas respectivas dos vértices são iguais à altu- ra da elevação do DEM nessas posições. Deste modo, os vértices de um determinado triângulo (ou outra forma de polígono) estarão freqüentemente em alturas diferentes.
Partes respectivas das imagens ópticas o- blíquas (ou nadir) são então sobrepostas seletivamente dentro dos triângulos para efetuar a texturização. Qu- ando estão disponíveis várias imagens oblíquas, então o processador 24 pode ser ajustado para determinar qual a imagem é a "melhor" para superposição dentro do tri- ângulo determinado, no bloco 37'. A título de exemplo, o critério para a determinação de qual imagem é a me- lhor com relação ao triângulo determinado podem incluir qual coletor estava mais próximo ou teve o melhor ângu- lo em relação à posição determinada do triângulo na á- rea geográfica de interesse 21 real.
Além disso, esta determinação pode ser também baseada no grau de obscuridade que cada coletor experimenta com relação à posição determinada. Isto é, em uma primeira imagem o coletor pode ter estado mais próximo da posição determinada do que em uma se- gunda imagem, mas sua linha de situação na primeira i- magem para a posição determinada pode ter sido obscure- cida por um objeto intermediário (edifício, árvore, e assemelhado). Além disso, embora a segunda imagem fos- se coletada bem mais distante em relação à posição de- terminada, ela pode ter tido uma linha de situação re- lativamente mais desobstruída para a posição determi- nada (isto é, pouca ou nenhuma obstrução) , e será portanto uma opção melhor do que a primeira imagem. Uma vez que todos os polígonos se encontram texturi- zados, no bloco 39', o DSM está completo (Blocos 38, 38'). AS Figuras 6-9 mostram partes norte, sul, este e oeste 46-49, respectivas, de um DSM de imagem tex- turizada completada gerado a partir do DEM 40.
A título de exemplo, o produto de modela- gem de local RealSite® 3D mencionado anteriormente po- de ser usado vantajosamente para realizar algumas das etapas salientadas anteriormente. Por exemplo, o pro- duto de modelagem de local RealSite® pode ser configu- rado para registrar os nadir de imagem óptica/oblíqua, realizar o DEM e gerar polígonos, e texturizar imagens dos polígonos. Entretanto, deverá ser observado que, em contraste com os DSMs tradicionais gerados com o produto de modelagem de local RealSite®, neste caso as partes de elevação de edifícios de um DEM gerado podem ser texturizadas automaticamente sem qualquer manipula- ção interferente do usuário dos edifícios. Ou seja, as partes de edifícios de um DEM podem ser texturiza- das automaticamente sem a necessidade de substituir manualmente ou de prover objetos (por exemplo, cubos, pirâmides, e assemelhados) que repliquem os edifícios originais, tal como será apreciado por aqueles versados na técnica. Naturalmente, outros programas ou aplica- ções adequados poderão ser igualmente utilizados.

Claims (7)

1. Método para gerar um modelo de su- perfície digital (DSM) de imagem texturizada imple- mentada por computador para uma área geográfica de interesse que inclui edifícios e terreno, caracteri- zado por o método compreender: gerar um modelo de elevação digital (DEM) tanto dos edifícios quanto do terreno, para a área geográfica de interesse utilizando-se um compu- tador; proporcionar uma coleta de imagens ópti- cas que incluem imagens ópticas oblíquas para a área geográfica de interesse, que inclui tanto edifícios quanto terreno; e sobrepor seletivamente, utilizando-se o computador, imagens ópticas oblíquas provenientes da coleta de imagens ópticas sobre o DEM, tanto dos edi- fícios quanto do terreno, para a área geográfica de interesse e com base nas quantidades respectivas de obscurecimento associadas com cada imagem em uma de- terminada posição para gerar deste modo o DSM de ima- gem texturizada para a área geográfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto terreno.
2. Método, de acordo com a reivindicação -1, caracterizado por a geração do DEM compreender uti- lizar-se o computador para gerar dados gradeados contí- nuos de elevação versus posição que se conformam a uma grade de posição predeterminada.
3. Método, de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizado por a coleta de imagens ópticas compreender ainda pelo menos uma imagem óptica de nadir da área geográfica de interesse que inclui tanto edifí- cios quanto terreno; e em que gerar o DEM compreende utilizar-se o computador para gerar o DEM com base na pelo menos uma imagem óptica de nadir e pelo menos uma da pluralidade de imagens ópticas oblíquas.
4. Sistema de computador para gerar um modelo de superfície digital (DSM) de imagem texturi- zada para uma área geográfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto terreno e caracterizado por que compreender: uma base de dados para armazenar uma coleta de imagens ópticas que incluem imagens ópti- cas oblíquas para a área geográfica de interesse, que inclui tanto edifícios quanto terreno; e um processador para gerar um modelo de elevação digital (DEM) tanto dos edifícios quanto do terreno para a área geográfica de interesse, e para sobrepor seletivamente imagens ópticas oblíquas a par- tir da coleta de imagens ópticas sobre o DEM, tanto dos edifícios quanto do terreno, para a área geográfi- ca de interesse com base nas respectivas quantidades de obscurecimento associadas com cada imagem em uma determinada posição e para gerar desse modo o DSM de imagem texturizada para a área geográfica de interes- se que inclui tanto edifícios quanto terreno.
5. Sistema de computador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o dito processa- dor gerar o DEM pela geração de dados gradeados contí- nuos de elevação versus posição que se conformam a uma grade de posição predeterminada.
6. Sistema de computador, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o dito processa- dor sobrepor seletivamente as imagens ópticas oblíquas por meio de: geração de uma pluralidade de polígonos correspondentes à elevação gradeada versus dados de posição para o DEM; e sobrepor seletivamente as imagens ópticas oblíquas dentro de polígonos respectivos.
7. Sistema de computador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a coleta de ima- gens ópticas compreender ainda pelo menos uma imagem óptica de nadir da área geográfica de interesse que inclui tanto edifícios quanto terreno; e em que o dito processador gera o DEM com base na pelo menos uma ima- gem óptica de nadir e na pelo menos uma da pluralidade de imagens ópticas oblíquas.
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