BRPI0715010A2

BRPI0715010A2 - sistema e mÉtodo de modelaÇço geoespacial

Info

Publication number: BRPI0715010A2
Application number: BRPI0715010-5A
Authority: BR
Inventors: Mark Rahmes; Anthony O'neil Smith; Josef Allen; Stephen Connetti
Original assignee: Harris Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2013-05-28
Also published as: WO2008033661A2; TW200832281A; WO2008033661A3; US20080133195A1; EP2082354A2; CA2662904A1; JP2010503119A; US7539605B2

Abstract

SISTEMA E MÉTODO DE MODELAÇçO GEOESPACIAL. Trata-se de um sistema de modelação geoespacial (20) pode incluir um banco de dados de modelo geoespacial (21) que contém dados de modelo geoespacial, um monitor (23) e um processador (22). O processador (22) pode cooperar com o banco de dados de modelo geoespacial (21) e o monitor (23) para determinar um grupo respectivo de pontos de vegetação da copa das árvores dos dados de modelo geoespacial para cada árvore de uma pluralidade de árvores, e para exibir um respectivo tronco simulado abaixo de cada grupo de pontos de vegetação da copa das árvores. O processador (22) pode gerar cada tronco de árvore simulado para ter uma altura de tronco de árvore (h) com base nas alturas do respectivo grupo de pontos de vegetação da copa das árvores.

Description

SISTEMA E MÉTODO DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL

A presente invenção refere-se ao campo da topografia, e, mais particularmente, a um sistema e a métodos relacionados para gerar modelos topográficos.

Os modelos topográficos de áreas geográficas podem ser utilizados para muitas aplicações. Por exemplo, os modelos topográficos podem ser utilizados em simuladores de vôo e para o planejamento de missões militares. Além disso, os modelos topográficos de estruturas sintéticas (por exemplo, cidades) podem ser extremamente úteis nas aplicações tais como a colocação de antenas celulares, o planejamento urbano, a prontidão e a análise de desastres, e o mapeamento, por exemplo.

Vários tipos e métodos para a elaboração de modelos topográficos estão sendo utilizados atualmente. Um modelo topográfico comum é o mapa de elevação digital (DEM). Um DEM é uma representação de matriz amostrada de uma área geográfica que pode ser gerada em uma forma automatizada por um computador. Em um DEM, os pontos das coordenadas são feitos de modo a corresponder com um valor da altura. Os DEMs são utilizados tipicamente para a modelação de terrenos onde as transições entre as elevações diferentes (por exemplo, vales, montanhas, etc.) são geralmente lisas de uma à seguinte. Isto é, os DEMs modelam tipicamente um terreno como uma pluralidade de superfícies curvas e quaisquer descontinuidades entre as mesmas são desse modo "alisadas". Desse modo, em um DEM típico nenhum objeto distinto está

presente no terreno.

Um produto de modelação de locais tridimensionais

particularmente vantajoso é o RealSite® da presente cessionária, Harris Corp. 0 RealSite® pode ser utilizado para registrar imagens sobrepostas de uma área geográfica de interesse, e extrai DEMs de alta resolução utilizando técnicas de visualização estéreo e nadir. 0 RealSite® provê um processo semi-automatizado para a obtenção de modelos topográficos tridimensionais (3D) de áreas geográficas, incluindo cidades, que têm texturas e limites de estrutura precisos. Além disso, os modelos do RealSite® são geoespacialmente precisos. Isto é, a localização de qualquer ponto determinado dentro do modelo corresponde a uma localização real na área geográfica com uma exatidão muito elevada. Os dados utilizados para gerar os modelos do RealSite® podem incluir a fotografia aérea e de satélite, a detecção eletro-óptica, infravermelha, e a detecção e

variação da luz (LIDAR).

Uma outra abordagem vantajosa para a geração de modelos de locais tridimensionais é apresentada na patente norte-americana n°. 6.654.690 concedida a Rahmes et al. , que também é cedida à presente cessionária e aqui incorporada em sua totalidade a titulo de referência. Esta patente apresenta um método automatizado para fazer um modelo topográfico de uma área incluindo o terreno e os edifícios no mesmo com base em dados espaçados aleatoriamente da elevação versus a posição. 0 método inclui o processamento dos dados espaçados aleatoriamente para gerar dados em grade da elevação versus a posição que se conformam a uma grade de posição predeterminada, o processamento dos dados em grade para distinguir os dados do edifício dos dados do terreno, e a execução da extração poligonal para que os dados do edifício para montar o modelo topográfico da área incluindo o terreno

e os edifícios no mesmo.

Uma dificuldade na geração de modelos topográficos automatizados é a geração de folhagem que parece realística, e particularmente as árvores. Isto ocorre porque os dados de modelação geoespacial são normalmente capturados acima da área geográfica de interesse de um avião ou um satélite, e desse modo os dados brutos da imagem não podem incluir os pontos de dados que correspondem aos troncos das árvores, somente as folhas/agulhas da mesma. Desse modo, quando um modelo de elevação digital (DEM) tridimensional (3D) da cena é gerado, ele só pode incluir as copas das árvores e não os troncos.

Várias abordagens têm sido utilizadas na tentativa de determinar a localização e as alturas de troncos de árvores a partir dos dados de imagens coletados. Por exemplo, em um artigo da autoria de Pyysalo et al. intitulado "Reconstructing Tree Crowns from Laser Scanner Data for Feature Extraction1', ISPRS Commission III, Symposium 9 a 13 de setembro de 2002, 2002, Graz, Áustria, 2002, é descrito um estudo para a reconstrução de copas de árvores simples a partir dos dados de scanner a laser para utilizar o modelo de vetor obtido para a extração de características. Como parte da metodologia de reconstrução, uma estimativa da posição do tronco da árvore foi calculada a partir dos pontos da copa como um valor médio das coordenadas χ e y ponderadas com a altura dos pontos. Os troncos das árvores foram considerados como linhas retas do alto da árvore à superfície do modelo de terreno digital. Esta linha de referência foi então utilizada para ajudar a estimar uma distância média dos pontos do tronco em alturas diferentes. Apesar da existência de tais técnicas de medição,

pode ser difícil a geração e a exibição de troncos de árvores simulados em um DEM tridimensional. Isto ocorre porque qualquer renderização automática de um tronco de árvore por um computador pode ser difícil para ferramentas típicas de 3 0 DEM sem ter nenhum ponto de dados brutos que correspondem ao tronco da árvore. Além disso, a tentativa de pintar manualmente troncos de árvore em um DEM pode ser extremamente demorada e, portanto, insustentável, para uma área geográfica de interesse com mais do que um número pequeno de árvores.

Em vista dos fundamentos acima, portanto, um

objetivo da presente invenção consiste na apresentação de um

sistema e métodos relacionados para a geração e exibição de

troncos de árvores simulados para grupos respectivos de

pontos de vegetação da copa das árvores a partir dos dados de

modelo geoespacial.

Estes e outros objetivos, características e vantagens são atingidos por um sistema de modelação geoespacial que pode incluir um banco de dados de modelo geoespacial que contém dados de modelo geoespacial, um monitor, e um processador. Mais particularmente, o processador coopera com o banco de dados de modelo geoespacial e o monitor para determinar um grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das árvores a partir dos dados de modelo geoespacial para cada árvore de uma pluralidade de árvores, e para exibir um respectivo tronco de árvore simulado abaixo de cada grupo de pontos da vegetação das copas das árvores. Além disso, o processador pode gerar 2 0 cada tronco de árvore simulado para que tenha uma altura de tronco de árvore baseada nas alturas do grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das árvores.

Mais particularmente, o processador pode ajustar a altura do tronco da árvore acima do solo até uma altura média

2 5 do grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das

árvores acima do solo. Além disso, o processador pode ajustar a largura do tronco da árvore baseada em uma largura do grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das árvores. Por exemplo, o processador pode ajustar a largura do tronco da

3 0 árvore até uma proporção predeterminada de uma largura da

copa da árvore, ou até um valor fixo.

O processador também pode exibir cada ponto da vegetação das copas das árvores como um corpo de vegetação colorida em sua posição geoespacial associada. Similarmente, o processador também pode exibir o tronco de árvore simulado como camadas empilhadas de corpos de troncos coloridos alinhados ao longo de um eixo vertical. A titulo de exemplo, as camadas adjacentes de corpos de troncos coloridos podem ser giradas umas em relação às outras. Além disso, o processador pode determinar o grupo respectivo dos pontos da vegetação das copas das árvores com base na aplicação de uma janela de procura de picos. Os dados de modelo geoespacial podem ser dados de modelo geoespacial tridimensionais (3D) , tais como dados de modelo de elevação digital (DEM) (3D), por exemplo.

Um aspecto do método de modelação geoespacial pode incluir a determinação de um grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das árvores entre uma pluralidade de pontos de dados de modelo geoespacial para cada árvore de uma pluralidade de árvores utilizando um processador. O método também pode incluir a exibição de um respectivo tronco de árvore simulado abaixo de cada grupo de pontos da vegetação

2 0 das copas das árvores em um monitor mediante a geração de

cada tronco de árvore simulado para ter uma altura do tronco da árvore baseada nas alturas do grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das árvores utilizando o processador.

Uma mídia que pode ser lida por computador pode Q5 incluir um módulo de banco de dados de modelo geoespacial que contém dados de modelo geoespacial. Além disso, um módulo de processamento pode cooperar com o banco de dados de modelo geoespacial e um monitor para determinar um grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das árvores a partir dos

3 0 dados modelo geoespacial para cada árvore uma de pluralidade

de árvores, e para exibir um respectivo tronco de árvore simulado abaixo de cada grupo de pontos da vegetação das copas das árvores. 0 módulo de processamento também pode gerar cada tronco de árvore simulado para ter uma altura do tronco da árvore baseada nas alturas do grupo respectivo de pontos da vegetação das copas das árvores.

A FIGURA 1 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema de modelação geoespacial de acordo com a invenção.

As FIGURAS 2 e 3 são, respectivamente, cópias em tela dos dados de imagem geoespacial antes e depois da execução de uma operação de janela para determinar as localizações do tronco da árvore de acordo com a invenção.

As FIGURAS 4 a 7 são vistas esquemáticas que ilustram a geração de corpos de troncos de árvore simulados

de acordo com a invenção.

As FIGURAS 8 e 9 são, respectivamente, vistas de modelo de elevação digital antes e depois da geração e da exibição de troncos de árvore simulados de acordo com a invenção.

A FIGURA 10 é um fluxograma de um método de modelação geoespacial de acordo com a invenção.

A presente invenção será descrita agora de maneira mais ampla em seguida com referência aos desenhos anexos, nos quais são mostradas as realizações preferidas da invenção. A presente invenção pode, no entanto, ser englobada em muitas formas diferentes e não deve ser interpretada como limitada às realizações aqui apresentadas. Ao invés disto, estas realizações são fornecidas de modo que esta descrição seja integral e completa, e irão apresentar inteiramente o âmbito da invenção aos elementos versados na técnica. As referências numéricas semelhantes se referem aos elementos semelhantes

por toda parte.

Com referência ã FIGURA 1, um sistema de modelação geoespacial 2 0 inclui ilustrativamente um banco de dados de modelo geoespacial 21 e um processador 22 que pode ser vantajosamente utilizado para a geração e a exibição de troncos de árvore simulados para grupos de pontos da vegetação das copas das árvores a partir dos dados de modelo geoespacial contidos no banco de dados de modelo geoespacial. A título de exemplo, o processador 22 pode ser uma unidade central de processamento (CPU) de um PC, Mac, ou uma outra estação de trabalho de computação, por exemplo. Um monitor 23 também pode ser acoplado ao processador 22 para exibir os dados de modelação geoespacial, tal como será discutido mais adiante. 0 processador 22 pode ser implementado ao utilizar uma combinação de componentes/módulos de hardware e software para executar as várias operações que serão discutidas mais adiante, tal como será apreciado pelos elementos versados na técnica.

A título de exemplo, os dados geoespaciais podem ser capturados ao utilizar várias técnicas, tais como a formação de imagem óptica estereofônica, a Detecção e Variação da Luz (LIDAR), o Radar de Abertura Sintética Interferométrica (IFSAR), etc. Falando de maneira geral, os dados serão capturados de vistas aéreas (por exemplo, nadir) da área geográfica de interesse por aviões, satélites, etc., tal como será apreciado pelos elementos versados na técnica. No entanto, as imagens oblíquas de uma área geográfica de interesse também podem ser utilizadas além (ou em vez de) as imagens de nadir para adicionar mais detalhes tridimensionais a um modelo geoespacial. Os dados da imagem bruta capturados ao utilizar LIDAR, etc., podem ser processados a montante do banco de dados de modelo geoespacial 21 em um formato desejado, tal como um modelo de elevação digital (DEM), ou isto pode ser feito pelo processador 22.

Voltando adicionalmente às FIGURAS 2 a 10, uma abordagem de modelação geoespacial que pode ser vantajosamente utilizada para a geração e a exibição de troncos de árvore simulados, por exemplo, utilizando o sistema 20, é agora descrita. Começando no bloco 100, os dados de modelo geoespacial, tais como os dados de DEM tridimensionais, são armazenados, por exemplo, no banco de dados de modelo geoespacial 21, no bloco 102. Falando de maneira genérica, os dados de modelo geoespacial irão incluir os pontos de dados "brutos" coletados por LIDAR, etc., que têm a associação de informações da localização e da elevação com os mesmos que têm geo-referência a uma grade geoespacial correspondente da localização para obter o DEM. Em determinadas realizações, refinamentos adicionais nos dados de DEM podem ser executados, tais como a detecção das bordas para aguçar os limites dos edifícios, texturização, etc., utilizando ferramentas tais como RealSite® e o sistema apresentado na patente norte-americana n° . 6.654.690, tal como discutido acima, e serão apreciados pelos elementos versados na técnica.

0 processador 22 pode então determinar os respectivos grupos de pontos 3 5 da vegetação das copas das árvores para árvores dentro dos dados de modelo geoespacial

2 0 3 0 com base na aplicação de uma janela de procura de picos,

por exemplo, no bloco 102. Mais particularmente, para cada ponto de dados ou pino, o processador 22 compara as alturas de pinos adjacentes dentro de uma janela predeterminada para saber quais os pontos da vegetação (isto é, folhas/agulhas) é que pertencem a um mesmo grupo, e qual (quais) o(s) ponto(s) dentro de um grupo respectivo que têm a elevação mais alta, " tal como será apreciado pelos elementos versados na técnica. O ponto mais elevado irá corresponder à localização de um tronco 3 6 para a árvore que é representada pelos pontos 3 5 da

3 0 vegetação das copas das árvores (FIGURA 7) . Os dados da

vegetação 31 são desse modo separados no bloco contíguo e combinados com os pontos do tronco, tal como visto na FIGURA 3 . Os dados da vegetação podem ser distintos de outros dados, tais como os dados do solo ou dos edifícios, com base em uma cor dos dados coletados, onde um coletor de imagens em cores é utilizado, ou empregando outras técnicas conhecidas dos elementos versados na técnica. A título de exemplo, uma técnica particularmente vantajosa para distinguir a vegetação e características culturais (por exemplo, edifícios) do solo em um DEM é apresentada no pedido de patente norte-americano co-pendente intitulado SISTEMA DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL PARA SEPARAR DADOS DA FOLHAGEM DOS DADOS DO EDIFÍCIO COM BASE EM OPERAÇÕES DE FILTRAGEM DE RUÍDO E MÉTODOS RELACIONADOS, documento do procurador número GCSD-1830 (51475), que também é cedido ao cessionário da presente invenção e aqui incorporado em sua totalidade a título de referência. O processador 22 determina ou ajusta então uma

altura h para cada tronco de árvore 3 6 para cada grupo de pontos 35 da vegetação das copas das árvores, no bloco 103. Mais particularmente, o processador 22 gera cada tronco de árvore simulado 3 6 para ter uma altura h do tronco de árvore

2 0 com base nas alturas do respectivo grupo de pontos da

vegetação das copas das árvores. Por exemplo, o processador 22 pode ajustar a altura h do tronco de árvore 3 6 acima do solo 3 7 até uma altura média do respectivo grupo de pontos 3 5 da vegetação das copas das árvores acima do solo. Para determinar a altura média h, o processador 22

pode primeiramente determinar uma altura base b, a qual " corresponde à base ou fundo do grupo de pontos 2 5 da vegetação das copas das árvores em relação ao solo 37. A altura média fica então a meio-caminho entre a altura base b

3 0 e a altura de pico do grupo de pontos 2 5 da vegetação das

copas das árvores. A altura base b pode ser determinada com base em um ou mais pontos destacados na borda do grupo de pontos 25 da vegetação das copas das árvores, uma vez que o coletor de imagem que captura os dados brutos da imagem não pode ter uma linha de visualização para os pontos da vegetação no fundo do meio de uma árvore, tal como será apreciado pelos elementos versados na técnica. Quando a altura h do tronco 3 6 se torna uma altura média do grupo de pontos 25 da vegetação das copas das árvores, isto faz vantajosamente com que o tronco se estenda para a vegetação da árvore, mas permaneça abaixo do alto da copa, porque um tronco de árvore real deve aparecer. Isto adiciona uma natureza realística do tronco de árvore simulado 36.

0 processador 22 também ajusta a largura do tronco de árvore 3 6 com base em uma largura do respectivo grupo de pontos 35 da vegetação das copas das árvores, no bloco 104. A título de exemplo, isto pode ser feito como uma proporção predeterminada de uma largura da copa das árvores. Isto é, o processador determina a largura de um respectivo grupo de pontos 25 da vegetação das copas das árvores e ajusta a largura do tronco em proporção a uma porcentagem da largura da copa. Alternativamente, a largura do tronco da árvore pode simplesmente ser ajustada em um valor fixo. Outras abordagens apropriadas também podem ser empregadas para ajustar a largura do tronco de árvore 36.

Uma vez que a posição, a altura e a largura do tronco de árvore 36 são determinadas, o processador 22 pode então gerar e exibir um tronco de árvore simulado com o seu respectivo grupo de pontos 3 5 da vegetação das copas das árvores. Particularmente, cada ponto da vegetação das copas das árvores pode ser indicado como um corpo de vegetação colorida 38 em sua posição geoespacial associada, no bloco 105. No exemplo ilustrado, os corpos da vegetação coloridos 38 são esferas, e podem ser coloridos com uma tonalidade do verde, por exemplo. Naturalmente, outras formas do corpo da vegetação e cores podem ser empregadas. Similarmente, o processador 22 também pode exibir o tronco de árvore simulado 3 6 como camadas empilhadas dos corpos de troncos coloridos 3 9 alinhados ao longo de um eixo vertical 40, no bloco 106, concluindo desse modo o método ilustrado na FIGURA 10 (bloco 107) . A titulo de exemplo, os corpos de troncos coloridos também podem ser esferas, e podem

r

ser coloridos com uma tonalidade do marrom, por exemplo, embora outras tonalidades/cores também possam ser utilizadas. Para propiciar uma aparência mais realistica adicional aos troncos de árvore simulados 36, as camadas adjacentes dos corpos de troncos coloridos 3 9 podem ser giradas umas em relação às outras. Isto confere ao tronco de árvore simulado 36 uma forma helicoidal ou de saca-rolhas que pode parecer mais realistica em alguns modelos geoespaciais tridimensionais, ao contrário de meramente introduzir um objeto sólido tridimensional no lugar do tronco, tal como um cilindro ou um retângulo tridimensional, por exemplo. Naturalmente, nos objetos sólidos de determinadas realizações, linhas, etc., podem ser utilizados para os troncos de árvore simulados 36.

Uma vista exemplificadora do monitor de um DEM 80a que inclui grupos de pontos 3 5 da vegetação das copas das árvores sem os troncos de árvore simulados 3 6 é mostrada na FIGURA 8, ao passo que o mesmo DEM 8 0b incluindo os respectivos troncos de árvore simulados para os grupos de pontos da vegetação das copas das árvores é mostrado na FIGURA 9. Conforme pode ser visto, os troncos simulados ajudam um observador a identificar mais prontamente os pontos da vegetação 3 5 como a vegetação das árvores, e não de 3 0 arbustos, etc. Além disso, a forma helicoidal ou de "saca- rolhas" dos troncos de árvore simulados 3 6 ajuda a impedir uma aparência não-natural "empolada" das árvores.

Claims

1. SISTEMA DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL, caracterizado pelo fato de compreender: um banco de dados de modelo geoespacial que contém dados de modelo geoespacial; um monitor; e um processador que coopera com o dito banco de dados de modelo geoespacial e o dito monitor para determinar um respectivo grupo de pontos da vegetação das copas das árvores a partir dos dados de modelo geoespacial para cada árvore de uma pluralidade de árvores, e para exibir um respectivo tronco de árvore simulado abaixo de cada,;grupo de pontos da vegetação das copas das árvores; em que o dito processador gera cada tronco de árvore simulado ter uma altura do tronco da árvore baseada nas alturas do respectivo grupo de pontos da vegetação das copas das árvores. U

2. SISTEMA DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de qtíe o dito processador ajusta a altura do tronco da árvore acima do solo até uma altura média dos respectivos grupos de pontos da vegetação das copas das árvores acima do solo.

3. SISTEMA DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito processador exibe cada ponto da vegetação das copas das árvores como um corpo de vegetação colorida em sua posição geoespacial associada.

4. SISTEMA DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito processador exibe o tronco de árvore simulado como camadas empilhadas de corpos de troncos coloridos alinhados ao longo de um eixo vertical.

5. SISTEMA DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as camadas adjacentes de corpos de troncos coloridos são giradas umas em relação às outras.

6. MÉTODO DE MODELAÇÃO GEOESPACIAL, caracterizado pelo fato de compreender: a determinação de um respectivo grupo de pontos da vegetação das copas das árvores entre a pluralidade de pontos de dados de modelo geoespacial para cada árvore de uma pluralidade de árvores utilizando um processador; e a exibição de um respectivo tronco de árvore simulado abaixo de cada grupo de pontos da vegetação das copas das árvores em um monitor mediante a geração de cada tronco de árvore simulado para que tenha uma altura do tronco da árvore baseada nas alturas do respectivo grupo de pontos da vegetação das copas das árvores utilizando o processador.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o processador ajusta a altura do tronco da árvore acima do solo até uma altura média do respectivo grupo de pontos da vegetação das copas das árvores acima do solo.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o processador exibe cada ponto da vegetação das copas das árvores como um corpo de vegetação colorida em sua posição geoespacial associada.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o processador exibe o tronco de árvore simulado como camadas empilhadas de corpos de troncos coloridos alinhados ao longo de um eixo vertical.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as camadas adjacentes de corpos de troncos coloridos são giradas umas em relação às outras.