ПО для обработки и визуализации данных лазерного сканирования

Программный комплекс для визуализации и параллельной обработки сверхбольших облаков точек лазерного сканирования в условиях ограничений по оперативной памяти.

Задача

Лазерное сканирование - современный и активно развивающийся тип дистанционного зондирования, результатом которого является облако точек. Основными областями применения лазерного сканирования являются:

топографическая съемка – планы территорий;
архитектура – трехмерные модели;
инженерные изыскания;
разработка приложений с дополненной реальностью;
мониторинг:
- цифровой город;
- индустрия – производственные объекты, коммуникации;
- строительство – контроль соответствия рабочей документации.

Главной особенностью лазерного сканирования является высокая точность и плотность измерений. Кроме того, лазерное сканирование имеет преимущество перед классическими технологиями проведения измерений (геодезия, аэрофотосъемка и пр.) по стоимости съемки и моделирования, скорости обработки данных, совокупной точности и требованиям к проведению работ.

Одной из проблем лазерного сканирования является объем полученных измерений: нередко результаты сканирования могу исчисляться сотнями гигабайт и содержать миллиарды точек. Загрузка и обработка таких больших объемов данных требует много времени и вычислительной мощности.

Задачей разработчиков в этом проекте стала разработка алгоритмов, позволяющих выполнять обработку и визуализацию сверхбольших облаков точек лазерного сканирования в условиях ограничений по оперативной памяти.

Решение

В ходе проекта были разработаны несколько экспериментальных образцов программных компонентов (ЭО ПК):

ЭО ПК создания растровых проекций. Предназначено для получения разрезов, сечений и ортофотопланов объектов на основе данных лазерного сканирования и фотосъемки в формате точечных моделей.
ЭО ПК дешифрирования и векторизации. Предназначено для контрастирования, фильтрации, классификации и векторной обработки точек в формате точечных моделей.
ЭО ПК визуализации. Предназначено для отображения сверхбольших облаков точек лазерного сканирования в уcловиях ограничений по оперативной памяти.

Преимущества решения

Сокращение времени загрузки и предобработки облака точек:

6,5 сек. для загрузки 50 млн. точек (до 50 сек у аналогов);
7 сек. для загрузки 250 млн. точек (до 4.1 мин у аналогов);
3 мин для загрузки 1.5 млрд. точек (до 24.5 мин у аналогов);

Снижение потребления оперативной памяти на больших облаках точек:

2 ГБ для 50 млн точек (до 2.4 ГБ у аналогов);
2 ГБ для 250 млн точек (до 12 ГБ у аналогов);
4 ГБ для 1.5 млрд точек (до 75 ГБ у аналогов);

Детали

Решение состоит из четырех ключевых модулей:

ЭО ПК создания растровых проеций;
ЭО ПК дешифрирования и векторизации;
ЭО ПК визуализации;
ЭО ПК гибридной обработки.

Основные функциональные возможности:

получение разрезов, сечений и ортофотопланов объектов на основе данных лазерного сканирования и фотосъемки в формате точечных моделей;
выполнение ортографических преобразований данных лазерного сканирования;
формирование плоских и цилиндрических проекций по данным лазерного сканирования;
создание 3D модели по данным лазерного сканирования;
закрытие дефектов поверхности 3D модели;
координатные преобразования;
расчет плотности облака точек;
контрастирование облака точек;
ранжирование облака точек;
фильтрация облака точек;
векторная обработка облака точек;
расчет поверхности чистой земли;
расчет горизонталей рельефа;
расчет профилей рельефа;
оценка изменения объектов и рельефа местности.

Технические преимущества:

использование технологий SSE/AVX;
параллельная обработка данных;
кроссплатформенность;
двухуровневая система кеширования облака точек;
конвейер обработки облака точек;
визуализация свербольших облаков точек.

Технологии

Языки программирования и фреймворки:	C++, Qt
OS:	Windows, Linux
Архитектуры:	x64
CVS:	Git (GitLab)
Прочее:	SSE/AVX, parallel processing, spatial partitioning

РИД

Публикации

Проект поддержан Рамочной сетевой программой BRICS в области науки и инноваций. При финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Соглашение о предоставлении субсидии между ФГАОУ ВО «СПбПУ» и Министерством науки и высшего образования Российской Федерации от 03.10.2017 г. № 14.584.21.0025.

Уникальный идентификатор – RFMEFI58417X0025