Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography (한국측량학회지)

Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography (한국측량학회)
권호 표지

Automation of Building Extraction and Modeling Using Airborne LiDAR Data

항공 라이다 데이터를 이용한 건물 모델링의 자동화

  • 임새봄 (세종대학교 지구정보공학과 도시공간정보사업단) ;
  • 김정현 (세종대학교 지구정보공학과) ;
  • 이동천 (세종대학교 지구정보공학과)
  • Published : 2009.10.31
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Abstract

LiDAR has capability of rapid data acquisition and provides useful information for reconstructing surface of the Earth. However, Extracting information from LiDAR data is not easy task because LiDAR data consist of irregularly distributed point clouds of 3D coordinates and lack of semantic and visual information. This thesis proposed methods for automatic extraction of buildings and 3D detail modeling using airborne LiDAR data. As for preprocessing, noise and unnecessary data were removed by iterative surface fitting and then classification of ground and non-ground data was performed by analyzing histogram. Footprints of the buildings were extracted by tracing points on the building boundaries. The refined footprints were obtained by regularization based on the building hypothesis. The accuracy of building footprints were evaluated by comparing with 1:1,000 digital vector maps. The horizontal RMSE was 0.56m for test areas. Finally, a method of 3D modeling of roof superstructure was developed. Statistical and geometric information of the LiDAR data on building roof were analyzed to segment data and to determine roof shape. The superstructures on the roof were modeled by 3D analytical functions that were derived by least square method. The accuracy of the 3D modeling was estimated using simulation data. The RMSEs were 0.91m, 1.43m, 1.85m and 1.97m for flat, sloped, arch and dome shapes, respectively. The methods developed in study show that the automation of 3D building modeling process was effectively performed.

LiDAR는 광범위한 지역의 지형 지물 및 지표면에 대한 3차원 좌표를 신속하게 획득할 수 있는 장비로 고정밀의 3차원 공간데이터를 제공하는 장점이 있다. 그러나 LiDAR 데이터는 불규칙한 3차원 점 데이터로 구성되어 있으므로, 의미적이고 시각적인 정보를 제공하지 않으며, LiDAR 데이터만을 사용하여 정보를 추출하는 것은 어렵다. 본 연구에서는 항공 LiDAR 데이터로부터 건물의 외곽선 자동 추출 및 3차원 상세 모델링을 위한 방법을 제안하였다. 전처리 과정으로 반복적 평면 fiitting을 통하여 노이즈 및 불필요한 데이터를 제거하고, 히스토그램 분석을 수행하여 지면과 비지면 데이터를 효과적으로 분리하였다. 건물 외곽선을 추출하기 위해서 객체추적 기법을 이용하여 건물의 외곽에 해당하는 LiDAR 점들을 분류하였으며, 선행과정을 통해 LiDAR 데이터로부터 최종적으로 건물의 외곽선을 추출하였다. 정확도 검증을 위해 추출된 건물의 외곽선을 1:1,000 수치지도와 비교한 결과, 실험지역의 평면 RMSE가 약 0.56m였다. 또한, 건물의 상부구조물의 형태를 재현하기 위한 특성정보 추출 방법을 제안하였다. 지붕면을 세부적으로 분할하고 모델링하기 위하여 통계적 및 기하적 특성정보를 이용하였으며, 각각의 상부구조물에 적합한 수학적 함수를 최소제곱법에 의해 결정함으로써 3차원 모델링이 가능하도록 하였다. 상부구조물 모델링 결과 각 형태에 따른 RMSE가 사각형 상부구조물은 0.91m, 삼각형 상부구조물은 1.43m, 아치형 상부구조물은 1.85m, 돔형 상부구조물이 1.97m였다. 이는 원시 LiDAR 데이터로부터 지붕면 분할 및 3차원 자동 모델링이 효과적으로 수행되었음을 보여주고 있다.

Keywords

References

  1. 김성삼, 구신희, 김원석, 유환희 (2006), LIDAR 자료를 이용한 수치지도 건물레이어 갱신, 춘계학술발표회 논문집, 한국측량학회, pp. 411-417
  2. 박지혜, 이임평, 최윤수, 김성준 (2005), 다중 데이터를 용합한 3차원 건물 모델링 자동화 방안, 춘계학술발표회 논문집, 한국측량학회, pp. 259-265
  3. 송낙현, 신성웅, 조흥범, 조우석 (2007), LiDAR 데이터를 이용한 옥트리 분할 기반의 지붕요소 자동추출, 한국측량학회지, 한국측량학회, 제 25권, 제 4호, pp. 327-336
  4. 유환희, 김경환, 김성삼 (2006), LIDAR 자료기반의 3차원 건물정보 구축, 한국지형공간정보학회지, 한국지형공간정보학회, 제 14권, 제 3호, pp. 13-22
  5. 이동천, 염재홍 (2005), LiDAR 데이터를 이용한 수치지도의 건물 및 등고선 레이어 생성, 한국측량학회지, 한국측량학회, 제 23권, 제 3호, pp. 311-322
  6. 이동천, 정형섭, 임새봄 (2008), 디지털 영상처리 기법에 의한 LiDAR 표고 영상으로부터의 건물추출 및 지붕상부구조물 분할, 2008 한국측량학회 춘계학술발표회 논문집, 한국측량학회, pp. 129-132
  7. 정형섭, 임새봄, 이동천 (2008), 항공 LiDAR 데이터를 이용한 건물추출과 상부구조물 특성분석 및 모델링, 한국측량학회지, 한국측량학회, 제 26권, 제 3호, pp. 227-239
  8. 조우석, 좌윤석, 이영진 (2003), 항공 레이저스캐닝 데이터를 이용한 거물 자동추출, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제 23권, 제 5호, pp. 727-733
  9. Bortolot, Z. J. and Wynne, R. H. (2005), Estimating forest biomass using small footprint LiDAR data: An individual tree-based approach that incorporates training data, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, ISPRS, Vol. 59, No. 6, pp. 342-360 https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2005.07.001
  10. Elaksher, A. F. and Bethel, J. S. (2002), Reconstructing 3D buindings from LiDAR data, ISPRS Commission III Symposium 2002, Institute for Computer Graphics and Vision, pp. 102-107
  11. Flood, M. (1999), Commercial development of airborne laser altimetry, International Archives of Photogrammetry & Remote Sensing, ISPRS, Vol. 32, pp. 13-20
  12. Geibel, R. and Stilla, U. (2000), Segmentation of laser altimeter data for building reconstruction: Different procedures and comparison, International Archives of the Photogrammetry & Remote Sensing, The International Society for Photogrammetry and Remote Sensing and the Remote Sensing Society, Vol. 33, No. B3, pp. 326-334
  13. Habib, A., Cheng, R., Kim, E., Mitishita, E., Frayne, R. and Ronsky, J. (2006), Automatic surface matching for the registration of LiDAR data and MR imagery, ETRI Journal, Electronics and Telecommunications Research Institute, Vol. 28, No. 2, pp. 162-174 https://doi.org/10.4218/etrij.06.0105.0107
  14. Lee, D. C., Jung, H. S. and Yom, J. H, (2007a), 3D building reconstruction and visualization by clustering airborne LiDAR data and roof shape analysis, Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photgrammetry, and Cartography, Korea Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry, and Cartography, Vol. 25, No. 6-1, pp. 507-516
  15. Lee, D.C., Jung, H. S., Yom, J. H., Lim, S. B. and Kim, J. H, (2007b), Automatic generation of building footprints from airborne LiDAR data, Proceedings of International Symposium on Remote Sensing 2007, The Korean Society of Remote Sensing, Unpaged CD-ROM
  16. Rottensteiner, F. and Briese, C. (2001), A new method for building extraction in urban areas from high-resolution LiDAR data, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, ISPRS, Vol. 34, pp. 295-301
  17. Schenk, T., Castho, B., Lee, D. C. (1999), Quality control issues of airborne laser ranging data and accuracy study in an urban area, Internal Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, ISPRS, Vol. 32, Part 3W14, pp. 101-108
  18. Vosselman, G. and Dijkman, S. (2001), 3D building model reconstruction from point clouds and ground plan, International Archives of Photogrammetry & Remote Sensing, ISPRS, Vol. 34, No,3,pp.37-44
  19. Zhang, K., Chen, S. C., Whitman, D., Shyu, M. L., Yan, J. and Zhang, C (2003), A Progressive morphological filter for removing nonground measurements from airborne LiDAR data, IEEE Transactions on Geoscience and remote sensing, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Vol. 41, No. 4, pp. 872-882