Прикладная фотограмметрия
1. Прикладные задачи, решаемые с помощью методов и средств
дистанционного зондирования
карта земля зондирование кадастр
Дистанционное зондирование Земли - сбор
информации об объекте или явлении с помощью регистрирующего прибора, не
находящегося в непосредственном контакте с данным объектом или явлением. Термин
«дистанционное зондирование» обычно включает в себя регистрацию (запись)
электромагнитных излучений посредством различных камер, сканеров, микроволновых
приемников, радиолокаторов и других приборов такого рода. Оно осуществляется с
применением морских судов, самолетов, космических летательных аппаратов и
наземных телескопов.
Дистанционное зондирование используется
для сбора и записи информации о морском дне, о Солнечной системе, об атмосфере
Земли.
Дистанционное зондирование Земли -
наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами,
оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн,
принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое
излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные,
т.е. использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение
объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные
- использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным
источником направленного действия. Данные, полученные с космического аппарата,
характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому
на космических аппаратах используется многоканальное оборудование пассивного и
активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных
диапазонах.
Аппаратура дистанционного зондирования
Земли первых космических аппаратов, запущенных в 1960-70-х гг., была трассового
типа - проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой
линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура дистанционного
зондирования Земли панорамного типа - сканеры, проекция области измерений на
поверхность Земли которых представляет собой полосу. Космические аппараты
дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов
Земли и решения задач метеорологии. Космические аппараты для исследования
природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной
аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет
наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния
атмосферы.
Науки, ориентированные на полевые работы,
к числу которых относятся такие, как геология, лесоводство и география, также
обычно используют дистанционное зондирование для сбора данных в целях
проведения своих исследований.
Данные дистанционного зондирования служат
основным источником информации при подготовке карт землепользования и
топографических карт.
2. Расчёт
параметров съёмки в целях землеустройства и земельного кадастра
Землеустройство - система мероприятий по
рациональному использованию, учету, оценке и улучшению земель. Эти мероприятия
осуществляются в соответствии с землеустроительным проектом, разрабатываемым
специализированными проектными организациями.
Земельный кадастр - систематизированный
свод документированных сведений о природном, хозяйственном и правовом положении
земель.
Измеряемая величина в дистанционном
зондировании Земли - электромагнитная энергия, излучаемая исследуемым объектом.
Используется широкий диапазон излучений от 0.4 мкм-30 м. В связи с этим
используются различные средства съемки: фотографические, телевизионные,
сканирующие, радиолокационные и др. Для создания и пополнения кадастровых
банков данных практический интерес представляют фотографические изображения,
которые регистрируются на фотопленке.
Технологии фотограмметрической обработки
материалов съемок развивались и совершенствовались в течение столетия. Наиболее
совершенными в настоящее время являются аналитическая и цифровая.
Аналитическая технология:
фотограмметрическая обработка материалов съемок по аналитической технологии
основана на использовании аналитических стереообрабатывающим приборов, средств
вычислительной техники и программного обеспечения.
В настоящее время эта технология
представлена:
· семейством надежных,
высокоточных аналитических стереоприборов и систем;
· быстродействующими с
большим объемом памяти вычислительными машинами;
· мощным программным обеспечением.
К числу решаемых аналитической технологией
задач относятся:
· стереофотограмметрическая
обработка снимков;
· измерение снимков и
дальнейшее построение цифровой модели местности;
· цифровое составление карт
с кодированием признаков и текущем контроле при сборе данных, интерактивным
редактированием при составлении карт и выдачей графической продукции в
разнообразной форме;
· высокоточные измерения
координат точек;
· сбор данных для получения
ортофотоснимков;
· стереофотограмметрическая
обработка снимков для специализированных работ в землеустройстве, лесном
хозяйстве, промышленности и др.
Аналитический стереообрабатывающий прибор
включает оптико-механическую систему с каретками для снимков, бинокулярную
наблюдательную систему, панель управления, ручные штурвалы, ножной диск и
ножные педали для включения и выключения прибора.
К прибору подключается ЭВМ с контролером и
накопителем, видеотерминал с печатающим устройством.
Контролер управляет движением кареток,
работой датчиков на осях координат, регистрирует смещение кареток, выполняет
электронное преобразование данных и ввод-вывод данных через интерфейс на ЭВМ.
В числе устройств отображения и ввода
информации могут быть видеомонитор, автоматический координатограф, графический
терминал с дисплеем. Конечной продукцией может быть графическая карта или карта
в цифровом виде. Потребитель может выбирать масштаб изображения, метод
представления информации, категорию объектов и т.д. Математическое обеспечение
аналитических стереоприборов насчитывает более 100 прикладных программ. К их
числу относятся:
· процессы построения и
оценки точности стереомодели;
· рисовка рельефа;
· развитие и уравнивание
аэрофототриангуляции;
· цифровое построение модели
местности (ЦММ);
· обработка наземных
снимков и материалов короткобазисной фотограмметрии.
В набор программ для аэрофототриангуляции
входят:
· маршрутное уравнивание
независимых моделей;
· блочное уравнивание
независимых моделей;
· блочное уравнивание с
автоматическим распознаванием и исключением грубых ошибок;
· блочное уравнивание
связок с учетом дополнительных параметров и исключением систематических ошибок.
Разработан также пакет программ для
цифрового сбора кодированных данных, хранения, обновления и редактирования
графической информации и последующего преобразования в аналоговую форму.
Некоторые аналитические стереообрабатывающие приборы имеют общую операционную
систему, сервисные устройства, периферийное оборудование. Они могут
объединяться в интегрированную автоматизированную систему универсального
назначения, способную параллельно решать несколько задач.
ЭВМ имеет стандартную конфигурацию
персонального компьютера. Вывод на экран различной текстовой и графической
информации осуществляет монитор, вывод на печать текстовой и графической
информации выполняется принтером. Стереоанаграф-6 - это сравнительно новая
разработка в серии этих приборов. Он может использоваться для получения
цифровых карт и планов, получения площадей и периметров участков, для целей
городского и земельного кадастра, для проектирования и строительства и для
решения многих других задач. Инструментальная средняя квадратическая ошибка
определения координат составляет не более 3 мкм.
Цифровая технология: цифровая фотограмметрия, в отличие от
использования физических изображений на стекле, пленке или бумаге, обрабатывает
изображение в цифровой форме в компьютере. При этом фотографическое изображение
преобразовывается в цифровую форму путем дигитализации или сканирования.
Изображения также могут быть получены в цифровой форме непосредственно со
специальной камеры, установленной на различных носителях.
Путем сканирования, изображение делится на определенное
количество крошечных равных площадей, называемых пикселями. Каждая такая
площадь содержит достаточную информацию (подобно клетке) в отношении цвета и
плотности цвета. В цифровой фотограмметрии точность получения результатов
возрастает с повышением разрешения сканирования. Чем меньше размер пикселя, тем
точнее результат.
Цифровая фотограмметрия будет расширять пределы применения
фотограмметрического продукта вследствие легкости обработки и использования
готовых компьютеров. Наиболее перспективными областями цифровой фотограмметрии
являются:
· построение
фототриангуляции, использующей соответствие изображения для стереоскопического
измерения;
· получение упрощенных
генераций цифровых моделей местности;
· ортофотопланы;
· создание различных
тематических карт, карт линий визирования;
· моделирование через
перспективный взгляд.
Экраны с высоким разрешением обеспечивают
достаточное поле обзора для пикселя размером 25 мкм и меньше. Для сканирования
изображения в настоящее время разработано множество сканеров. Специальные
фотограмметрические сканеры высокопроизводительны и высокоэффективны. Они
способны сканировать как целые пленки (фильмы), так и отдельные снимки.
Конструкции некоторых сканеров основаны на принципе высокоточной платформы с
пластиной, движущейся вдоль стационарной камеры. Области, фиксируемые
прямоугольным массивом, повторного считывания не требуют. Лучшие модели
сканеров имеют производительность более 1 мегапикселя/сек. Сканирование с
разрешением 15 мкм одного черно-белого аэроснимка может быть выполнено за 4
мин. Размеры пикселей от 4 до 20 микрон, формат изображения 260 х 260 мм.
3. Требования к точности результатов
дешифрирования при создании базовых карт земель
Дешифрирование снимков - метод
исследования территорий, акваторий, атмосферных явлений по их изображениям на
аэро-, космических, подводных снимках, фотосхемах, фотопланах. Дешифровщик
непременно должен знать конкретные особенности территории. Современное
автоматизированное дешифрирование предусматривает применение специальных фотограмметрических
электронно-оптических приборов, компьютеров, программных и информационных
средств. Автоматизация охватывает весь цикл работы, включая предварительную
коррекцию снимков, выделение, распознавание и цифрование объектов, рисовку карт
и их вывод на экран или на печатающее устройство.
Дешифрирование - наиболее важный,
ответственный и весьма трудоемкий процесс при создании базовых карт земель. От
точности определения положения на фотоизображении дешифрируемых элементов
местности в значительной степени зависит качество получаемой по фотоснимкам
информации.
На качество, точность дешифрирования
космических изображений существенно влияют особенности их получения и методы
обработки, полнота и тщательность подготовительных работ, применяемая
технология, квалификация исполнителя и его навыки применительно к космическим
снимкам и конкретному ландшафту.
К основным особенностям космических
снимков, влияющих на качество дешифрирования, относятся:
увеличенное количество связей между
объектами местности, а следовательно, большее число дешифровочных признаков, за
счет уменьшения масштаба снимков и изображения в пределах кадра обширной
территории;
повышенная разрешающая способность
вследствие значительного уменьшения сдвига изображения и отсутствия вибрации
носителя;
искажение или утрата изображений некоторых
объектов, а также дешифровочных признаков (формы теней, деталей объектов и др.)
вследствие мелкого масштаба изображения, наличия «полос нерезкости» между
объектами и окружающим их фоном, а в некоторых случаях вследствие значительного
отличия проекции снимков от ортогональной;
снижение в ряде случаев изобразительных
качеств снимков из-за сложности оптимизации экспозиции, обусловленной резкими
изменениями освещенности и отражательной способности ландшафта, а также состояния
атмосферы;
отображение на снимках облаков,
производственных дымов и атмосферной дымки, затрудняющих или исключающих
процесс дешифрирования;
наличие незначительных перекрытий между
снимками, что ограничивает выявление дешифровочных признаков при рассматривании
стереомодели;
появление значительных (более 5 градусов)
углов наклона снимков, или отличие проекции снимков от центральной.
Названные особенности усложняют
дешифрирование, повышают требования к подготовке дешифровщиков.
При использовании для фотограмметрической
обработки мелкомасштабных космических снимков возникает необходимость
дополнительно обращаться к космическим снимкам более крупного масштаба для
дешифрирования деталей изображения и набора необходимых характеристик
отображаемых объектов.
Технология фотограмметрической обработки -
это технология трансформации и привязки космических снимков для получения
трехмерных измеримых моделей. Используя космические снимки и данные телеметрии
производится коррекция оптических искажений и взаимная привязка снимков. На
основе специальной обработки снимков создается трехмерная измеримая модель
поверхности (цифровая модель рельефа), на которую накладываются
скорректированные и взаимно привязанные снимки.
Пример: технология обработки снимков КА Канопус-В в ЦФС
Фотомод.
Компанией Иннотер была разработана
максимально автоматизированная технология для создания ортофотоплана по
маршрутной съемке КА в ЦФС «Фотомод». Для чего были созданы модельные снимки
(МС) по геометрической модели съемочной системы. Были проведены оценки точности
созданного ортофотоплана предельно возможной и с учетом ошибок навигационной
системы.
Решение этих задач осуществлялось путем
моделирования съемочных маршрутов КА. «Канопус-В». Для создания МС был
использован снимок Ресурс-ДК на территорию экспериментального тестового
полигона, перепады высот на котором достигают 400 м. Наземные опорные точки для
построения, измеренные с дециметровой точностью (сигма = 0.2m) были взяты с
тестового полигона, в количестве 180 точек. По снимку Ресурс-ДК с
использованием цифровой модели рельефа (ЦМР), по данным SRTM (Shuttle radar
topographic mission) был построен ортофотоплан, с размером пикселя - 1 м и со
среднеквадратической точностью трансформирования (СКО) - 2,11 м.
Ортофотоплан, построенный с помощью
программы Ортомап (OrthoMap) послужил основой для создания модельных снимков КА
«Канопуса-В». Формирование же самих МС и расчет коэффициентов рациональных
полиномов (RPC) осуществлялось с помощью пакета программ «Неогеосат».
Модельные снимки (МС) были созданы в двух
вариантах:
· идеальный случай, без
учета ошибок навигационной системы, т.е. создана ситуация для оценки предельной
точности;
· реальный случай, когда МС
созданы с учетом ошибок, вносимых навигационной системой, т.е. созданы условия,
приближенные к реальным.
Для проекта были использованы только
снимки с панхроматической камеры (имеет ПЗС матрицу размером 144 МПикс (12240 x
11418 пикселей) с размером пикселя
.2 мкм и фокусное расстояние 92 мм, установленный
в панхроматической камере специальный ИК-фильтр позволяет срезать излучение с
длиной волны более 710 нм). Т.к. матрицы ПСС не перекрываются, то для
обеспечения полного покрытия испытательного участка из МС было создано восемь
маршрутов, снимки в которых смещаются по мере движения спутника по орбите. На
рисунке 4 представлены маршруты из модельных снимков ПСС.
Маршруты из модельных снимков ПСС
Были созданы ортофотопланы - для двух
вариантов съемки, на разных этапах уравнивания и проведен анализ точностей
полученных ортофото. Для построения ортофотопланов были использованы:
· модельные снимки с
разрешением 2 м;
· наземные опорные точки, в
количестве 170 точек;
· ЦМР по данным SRTM.
Для уравнивания блока снимков были
поставлены связующие точки в автоматическом режиме, с контролем автокорреляции.
Внешнее ориентирование блоков снимков
проводилось по метаданным (RPC) и опорным точкам, число которых варьировалось
от 1 до 160. Точность ориентирования оценивалась по 10 контрольным точкам.
Применение ЦФС Фотомод для обработки
снимков КА Канопус-В позволяет в полностью автоматическом режиме измерять
связующие точки для уравнивания блока. Также, при создании мозаики области
трансформирования строятся автоматически. Что позволило увеличить скорость
обработки данных и максимально автоматизировать процесс.
5. Области применения методов наземной фотограмметрической
съёмки объектов
Наземная фотограмметрия - это один из
разделов фотограмметрии, в котором изучаются методы получения и
фотограмметрической обработки изображений объектов, получаемых съемочными
системами с точек земной поверхности.
Список используемой
литературы
1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании
цифровых топографических карт и планов (2002 г.);
2. Инструкция по топографической съёмке в масштабах
1:5000, 1:200, 1:1000, 1:500.-М.: Недра, 1982;
. Инструкция по дешифрированию снимков и фотопланов в
масштабах 1:10000 и 1:25000 для целей землеустройства, государственного учёта
земель и земельного кадастра. - М.: ВИСХАГИ, 1978;
. Обиралов А.И., Лимонов А.Н., Гаврилова Л.А.
Фотограмметрия и дистанционное зондирование.-М.: КолосС, 2006-334 с.;
. Корчагина О.А. Фотограмметрия и дистанционное
зондирование территорий: Учеб. пособие / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» - Саратов,
2011. - 204 с.