Содержание к диссертации
Введение
1 Современные способы создания пространственной информации о местности 15
1.1 Историческая справка о развитии способов получения пространственного представления о местности 15
1.2 Сущность и определение измерительной трехмерной видеосцены
1.3 Анализ современных технологий для построения трехмерных Видеосцен 30
1.4 Выводы по разделу 1 46
2 Концепция формирования измерительных трехмерных видеосцен по данным цмм, материалам аэрокосмических и наземных съемок 48
2.1 Определение источников информации для построения измерительных трехмерных видеосцен 48
2.2 Цифровые модели местности — источники построения измерительных трехмерных видеосцен 53
2.3 Программные и технические средства для создания цифровых моделей местности по материалам аэрокосмических съемок 59
2.4 Требования к составу и точности исходных данных 65
2.5 Проблемы и пути реализации технологии построения измерительных трехмерных видеосцен 67
2.6 Программные и технические средства для построения трехмерных видеосцен 69
2.6.1 Общая классификация программных и технических средств 69
2.6.2 CAD-системы, предназначенные для черчения или проектирования 71
2.6.3 Программы для создания ЗБ-графики и видеоэффектов 74
2.6.4 Картографические программы 77
2.6.5 Выводы по 2.6 94
2.7 Выводы по разделу 2 94
3 Технологическая схема построения измерительных трехмерных видеосцен по материалам аэрокосмических съемок 97
3.1 Особенности обработки современных материалов аэрокосмических съемок 97
3.2 Разработка технологической схемы 107
3.2.1 Основные этапы технологической схемы 107
3.2.2 Техническое проектирование. Рекомендации к техническому проектированию 108
3.3 Производство аэрофотосъемки, получение материалов космической съемки 114
3.3.1 Аэрофотосъемка 114
3.3.2 Материалы космической съемки 116
3.3.3 Подготовительные работы 116
3.3.4 Планово-высотная подготовка аэрофотоснимков, космических снимков 120
3.4 Стереофотограмметрическая обработка аэрофотоснимков, космических снимков 121
3.4.1 Процессы стереофотограмметрической обработки снимков 121
3.4.2 Фотограмметрическое сгущение опорной сети 122
3.4.3 Сбор цифровой информации о рельефе и объектах территории 123
3.4.4 Полевая доработка и корректировка результатов сбора цифровой информации 129
3.5 Создание измерительной трехмерной видеосцены в 3D ГИС 130
3.5.1 Формирование ЦМР и ЦМО, экспорт в выходные форматы, совместимые с 3D ГИС 130
3.5.2 Создание измерительной трехмерной видеосцены в 3D ГИС 132 3.5.3 Создание фототекстур для 3D ГИС 136
3.6 Выводы по разделу 3 139
4 Разработка вопросов оценки точности измерительных трехмерных видеосцен 141
4.1 Ожидаемая точность измерительных трехмерных видеосцен 141
4.2 О достоверности вероятностной оценки точности
пространственной аналитической фототриангуляции 151
4.3 Выводы по разделу 4 159
5 Методика выполнения экспериментальных исследований 161
5.1 Общие положения методики исследований 161
5.2 Исследования технологии построения измерительной трехмерной видеосцены по материалам аэрофотосъемки объекта «Северный» 162
5.3 Исследования технологии построения измерительной трехмерной \ видеосцены по материалам аэрофотосъемки объекта «Северо-западный» 169
5.4 Исследования технологии построения измерительной трехмерной видеосцены по материалам аэрофотосъемки объекта «Северный-2» 173
5.5 Анализ результатов экспериментальных исследований 180
5.6 Задачи, решаемые на измерительных трехмерных видеосценах
с использованием 3D ГИС 182
5.7 Выводы по разделу 5 186
6 Методика оценки эффективности технологии построения измерительных трехмерных видеосцен 188
6.1 Определение критериев для оценки эффективности технологии построения измерительных трехмерных видеосцен 188
6.2 Расчеты оценки эффективности технологии построения измерительных трехмерных видеосцен 195
Заключение 199
Список использованных источников
- Сущность и определение измерительной трехмерной видеосцены
- Проблемы и пути реализации технологии построения измерительных трехмерных видеосцен
- Техническое проектирование. Рекомендации к техническому проектированию
- Исследования технологии построения измерительной трехмерной \ видеосцены по материалам аэрофотосъемки объекта «Северо-западный»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последние годы во многих отраслях народного хозяйства потребность в информации о местности уже не удовлетворяется использованием только топографических карт в аналоговом и цифровом видах. Недостаточная информативность карты, необходимость умения читать карту работниками различных ведомств затрудняют ее использование, а в ряде специальных приложений существенно ограничивает ее применение.
Для решения ряда инженерных задач, включающих автоматизированный анализ состояния территории, особенно в районах интенсивного строительства, требуется детальная информация о пространственном положении, высотах объектов территории в цифровой форме.
Появились новые цифровые геопространственные продукты, получившие название ЗБ-моделей, которые представляют собой трехмерные пространственные модели реальных объектов территории. Получению и использованию таких новых видов цифровой продукции способствовали достижения трехмерной машинной графики при пространственном моделировании местности в геоинформационных технологиях. Сравнивая периоды существования и использования карт и планов в аналоговом и цифровом видах и ЗБ-продуктов, последние правомерно определять как новые. Однако, с начала появления, развития и использования их прошло более двух десятков лет. Поэтому под определением «новые» здесь подразумевается актуальные, современные.
Перечень ЗО-продуктов постепенно расширяется. В настоящее время наиболее востребованы визуальные цифровые модели городов. Во многих крупных городах мира трехмерная пространственная информация используется при решении таких задач, как городское планирование, управление транспортом, защита от шума и др.
В Российской Федерации трехмерные цифровые модели начинают использоваться в различных сферах деятельности. Подтверждением тому служит появление цифровых ЗБ-моделей российских городов, регулярно публикуемых на
сайтах в сети Internet, а также публикации на эту тему. Трехмерные модели дают наглядное представление о территории и способствуют наилучшему решению различных задач с учетом особенностей и деталей конкретного ее участка.
Во многих случаях для правильной оценки выбранного варианта решения поставленной задачи и достигнутых результатов необходимо иметь достоверную информацию не только о пространственном положении и высоте объектов, получаемых путем выделения точек этих объектов на трехмерной модели, но и о точности этих данных. Информацию такого рода могут обеспечить материалы аэрофотосъемки и космической съемки высокого разрешения. Аэрофотосъемка, несмотря на быстрое развитие методов дистанционного зондирования Земли, остается одним из основных способов создания и обновления крупномасштабных карт и планов.
Степень разработанности проблемы. Зарубежными компаниями создаются трехмерные модели многих городов. В России в организациях различных ведомств выполняются практические работы по созданию ЗО-моделей. В большинстве случаев, в качестве исходных данных для получения информации об объектах используются космические снимки высокого разрешения, топографические карты, планы (цифровые или аналоговые), а для создания цифровых моделей рельефа - информация о рельефе с цифровых или аналоговых карт (планов). Перспективными являются технологии создания трехмерных сцен по результатам обработки данных лазерного сканирования.
На территории многих городов имеются топографические планы (цифровые, аналоговые), созданные и обновляемые по материалам аэрофотосъемки средствами известных фотограмметрических технологий, разработанных в Федеральной службе государственной регистрации, кадастра и картографии (РОСРЕЕСТР) (ранее РОСКАРТОГРАФИЯ). Такая цифровая или аналоговая продукция в большинстве случаев сертифицирована и может служить основой для формирования цифровых моделей рельефа и объектов - исходных данных для последующего получения трехмерных сцен.
В настоящее время в производственных подразделениях РОСРЕЕСТР, а также иных организациях для обработки материалов аэрокосмических съемок используются цифровые фотограмметрические системы (ЦФС) зарубежного и отечественного производства. Эти системы служат и для сбора трехмерной цифровой информации о территории для последующей передачи ее в геоинформационные системы (ГИС), обладающие возможностями работать с трехмерными видеосценами (3D ГИС). В последние годы в некоторых ЦФС реализован автоматизированный инструментарий стереоскопического сбора векторной информации для построения трехмерных сцен. Однако в настоящее время нет отработанной стандартизованной технологии, позволяющей осуществлять этот процесс. Вопросы, связанные с требованиями к исходным данным, правилами сбора, передачей данных для получения трехмерных сцен, не решены. Вопросы оценки точности трехмерных видеосцен практически не отражены в литературе. Поэтому решение данной проблемы является актуальным.
Это определяет актуальность постановки и решения научной проблемы развития и совершенствования трехмерного пространственного моделирования территорий - получения и исследования нового цифрового геопространственного вида продукции - измерительной трехмерной видеосцены.
Цель исследования методическое и технологическое обоснование, разработка, исследование и внедрение технологии построения измерительных трехмерных видеосцен, которые обеспечат расширение области использования их в части проведения анализа данных для решения задач экологического мониторинга, городского планирования, управления территориями.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были реализованы следующие задачи:
а) развитие существующей концепции трехмерного пространственного моделирования территорий на основе интеграции данных, получаемых современными цифровыми фотограмметрическими системами и геоинформационными системами, обладающими возможностями работать с трехмерными видеосценами, для создания современного цифрового геопространственного вида продукции - измерительной трехмерной видеосцены:
обоснование содержания измерительной трехмерной видеосцены;
определение принципов и методов создания измерительной трехмерной видеосцены;
б) разработка решений по оптимизации технологических этапов, связан
ных с подготовкой разных типов информации для формирования измеритель
ной трехмерной видеосцены на основе:
обоснования выбора материалов аэрокосмических съемок и типовых требований к ним как исходным для создания цифровых моделей местности (ЦММ) - источникам получения измерительных трехмерных видеосцен;
обоснования выбора технических и программных средств формирования эффективной технологии;
разработки правил сбора информации для формирования цифровых моделей местности на цифровых фотограмметрических системах с учетом специфики дальнейшего построения измерительных трехмерных видеосцен.
в) разработка технологии построения измерительных трехмерных видео
сцен по данным ЦММ, полученным по материалам аэрокосмических съемок;
г) разработка критериев оценки точности полученных измерительных
трехмерных видеосцен на основе:
разработки теоретических зависимостей (формул) для оценки ожидаемой точности определения координат и высот точек измерительной трехмерной видеосцены, полученной по материалам аэрофотосъемки;
исследований по анализу достоверности вероятных ошибок координат точек ЦММ, полученных при уравнивании фототриангуляционной сети;
д) разработка методики оценки эффективности технологии создания изме
рительных трехмерных видеосцен;
е) экспериментальные исследования по оценке точности измерительных
трехмерных видеосцен и выдача рекомендаций по подготовке информации для
формирования измерительной трехмерной видеосцены.
Объект и предмет исследования. Объектом настоящих исследований являются существующие методы и средства создания и использования трехмерных цифровых моделей территории. 6
Предметом исследования служат методологические и технологические основы разработки технологии построения измерительных трехмерных видеосцен по материалам аэрокосмических съемок.
Методологической базой исследования являются способы цифровой обработки изображений, аналитической и цифровой фотограмметрии, математической статистики.
Теоретическая база исследования - современные дистанционные способы получения трехмерной пространственной информации об объектах территории.
Эмпирическая база исследования. Цифровые фотограмметрические системы для обработки материалов аэрокосмических съемок; программные и технические средства ГИС, работающие с трехмерными сценами. Материалы аэрофотосъемки, материалы планово-высотной подготовки снимков, нормативно-технические документы (НТД), регламентирующие топографо-геодезические и фотограмметрические работы; методы эмпирического исследования - измерительные операции на цифровых системах, обеспечивающих обработку пространственных данных.
На защиту выносятся:
а) методология трехмерного пространственного моделирования террито
рий на основе интеграции данных, получаемых современными цифровыми фо
тограмметрическими системами и геоинформационными системами, обладаю
щими возможностями работать с трехмерными видеосценами, для создания со
временного цифрового геопространственного вида продукции - измерительной
трехмерной видеосцены;
б) технологические решения, обеспечивающие создание измерительных
трехмерных видеосцен с учетом заданных метрических требований к исходным
данным и конечному продукту - измерительной трехмерной видеосцене;
в) теоретическое и методическое обоснование оценки точности измери
тельных трехмерных видеосцен, полученных по материалам аэрофотосъемки
с использованием высокоточных цифровых фотограмметрических систем и кар
тографических ГИС с функциями ЗО-моделирования;
г) теоретическое обоснование и результаты исследований оценки эффективности производственной технологии получения измерительных трехмерных видеосцен.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
разработаны технологические и методологические основы технологии построения измерительных трехмерных видеосцен по данным ЦММ, сформированным по материалам аэрокосмических съемок; технология обеспечит создание измерительных трехмерных видеосцен с учетом заданных метрических требований;
разработаны критерии оценки точности измерительных трехмерных видеосцен;
впервые выполнены исследования и получены результаты по оценке точности измерительных трехмерных видеосцен, созданных по материалам аэрофотосъемки с использованием высокоточных цифровых фотограмметрических систем и картографических ГИС с функциями ЗО-моделирования.
Научная и практическая значимость работы:
предложена технология построения измерительных трехмерных видеосцен по материалам аэрокосмических съемок, которая обеспечивает получение количественной информации об объектах территории (координаты и высоты для каждой точки) с учетом заданной точности;
разработаны рекомендации по оптимизации технологических решений подготовки информации разных типов для формирования измерительных трехмерных видеосцен; рекомендации могут служить основой при разработке НТД по созданию нового цифрового геопространственного вида продукции - измерительной трехмерной видеосцены;
предложена методика оценивания эффективности технологии создания измерительных трехмерных видеосцен, которая позволяет определять эффективность использования конкретных ЦФС и 3D ГИС для построения измерительной трехмерной видеосцены, а также сравнить 3D ГИС между собой.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Тематика диссертации соответствует пунктам: 2 - «Разработка и исследование технических средств и технологий, фиксирующих в виде изображений различные элементы объектов исследований» и 3 - «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов» паспорта научной специальности 25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия».
Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и научных конгрессах: Межрегиональная научно-техническая конференция «Современные проблемы информационного пространства Уральского региона», Екатеринбург, 2002 г.; Международная научно-техническая конференция, посвященная 225-летию МИИГАиК, Москва, 2004 г.; Научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2005», Новосибирск, 2005 г.; Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2006», Новосибирск, 2006 г.; XXIII International Cartographic Conference, Moscow, 2007 г.; Ill Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2007» Новосибирск, 2007 г.; IV Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2008», Новосибирск, 2008 г.; XII Международная научно-практическая конференция «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости», GEOINFOCAD-EUROPE 2008, Италия, 2008 г.; V Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2009», Новосибирск, 2009 г.; Международная научно-техническая конференция «Геодезия, картография и кадастр - XXI век», Москва, 2009 г.; VI Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2010», Новосибирск, 2010 г.; VII Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», Новосибирск, 2011 г.
Результаты исследований внедрены в виде технологии построения измерительных трехмерных видеосцен по материалам аэрокосмических съемок с использованием ГИС с функциями ЗО-моделирования и исследований по оценке
точности измерительных трехмерных видеосцен в организациях РОСРЕЕСТР: ФГУП Центр «Сибгеоинформ», ФГУП Центр «Уралгеоинформ», ФГУП «ПО Инжгеодезия», а также в учебном процессе СГГА, о чем свидетельствуют акты о внедрении.
Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной программы «Развитие вузовского потенциала высшей школы России на 2009-2012 гг.» по плану НИР ФГБОУ ВПО «СГГА»:
«Исследование и разработка теоретических основ и методов отображения объектов природной среды в экологических ГИС» (номер государственной регистрации 012009.54348, 2011 г.);
«Технология построения и исследования измерительных трехмерных видеосцен по данным ЦММ» (тема 6.30.307; научное направление 12: Цифровая фотограмметрическая обработка аэрокосмических снимков для мониторинга территорий. 36.29;89.57).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 научных трудах, из них 11 статей - в изданиях, входящих в Перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура диссертации. Общий объем составляет 256 страниц печатного текста, включает введение, заключение, шесть разделов, 18 таблиц, 32 рисунка, 9 приложений, список использованных источников из 162 наименований.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 012-2011.
Сущность и определение измерительной трехмерной видеосцены
На протяжении всей истории развития жизни на Земле у людей существовала потребность отображать окружающий мир доступными способами (наскальные рисунки животных, изображения сцен на папирусах, глиняных и деревянных изделиях в Египте, Греции и др.).
Многовековой период до появления теоретических основ и практического использования фотограмметрии можно охарактеризовать как этап зарождения и совершенствования графического способа получения перспективных изображений объектов местности и преобразования их в план. За 350 лет до н. э. Аристотель в своих трудах писал о свойстве оптических лучей строить изображение на поверхности, расположенной на их пути, после того, как они прошли через небольшое отверстие. Это свойство было использовано в камере-обскуре. Леонардо да Винчи с 1492 г. начал работать с перспективными проекциями и позже описал устройство камеры-обскуры [73].
В 1611 г. немецкий астроном и математик Кеплер И. дал обоснование оптического устройства камеры-обскуры. На основании опыта работы с камерой-обскурой в 1679 г. английский естествоиспытатель Гук Р. разработал ее вариант под названием камера-клара. Однако, работа с названными камерами была трудоемкой, а точность и качество получаемых графических изображений низкими. Поэтому поиски способа, обеспечивающего быструю и точную фиксацию изображений, а также их хранение, продолжались. Таким способом стала фотография, изобретенная в конце 30-х гг. XIX в. и первоначально названная дагеротипией [73].
До появления фотографии, в 1832 г. английский физик Уитсон Чарлз (Wheatstone Ch.) сделал открытия в области стереоскопии. Он не только впер вые установил, что человек видит объемный окружающий мир благодаря небольшим различиям (диспаратности) изображений на сетчатках левого и правого глаза, но и открыл искусственный стереоскопический эффект, вследствие которого мы получили возможность воспринимать объемное изображение (стереоскопическую модель) по двум плоским стереограммам. Чарлз Уитсон также изобрел прибор для таких наблюдений - зеркальный стереоскоп, который позволял рассматривать объемные изображения по специально подготовленным рисункам геометрических фигур. Таким образом, со времени появления фотографии начинается разработка приборов для визуализации объемных изображений [56].
Развитие съемочных систем и фотограмметрических приборов для обработки результатов съемок во все периоды было взаимосвязано.
В 1852 г. инженер-майор французской армии Эмме Лосседа первым использовал фотокамеру для составления топографических планов местности.
В середине XIX в. демонстрируются стереоскопические изображения по паре фотоснимков с помощью анаглифического и обтюраторного способов. Позже, в 1858-1859 гг., Эмме Лосседа разработал конструкцию первого в мире фототеодолита, основной частью которого являлась фотокамера. Это время считается началом зарождения фотограмметрии.
Этап исторического развития фотограмметрии от середины XV в. до 1854 г. характеризуется зарождением измерительной перспективы применительно к топографическим наземным съемкам. Период от 1854 г. до 1880-х гг. характеризуется дальнейшим развитием измерительной перспективы для топографических наземных съемок на основе фотограмметрического способа получения перспективных изображений местности [2].
Позже, как в нашей стране, так и за рубежом развиваются и совершенствуются способы получения информации о пространственных характеристиках объектов местности средствами наблюдения и измерения стереомодели местности, построенной по двум перекрывающимся фотоснимкам. Два фотоснимка одного и того же участка, полученные с разных точек, имеют по сравнению с одним фотоснимком дополнительное преимущество: они позволяют создать пространственную модель местности. По стереопаре снимков можно определять не только плановые координаты объектов, но и их высоты, т. е. трехмерные характеристики объектов местности [78, 79, 80, 110].
Большой вклад в развитие способов фотограмметрической обработки материалов различных видов фотосъемки внесли известные отечественные ученые: Скиридов А. С, Урмаев Н. А., Лобанов А. Н., Бобир Н. Я., Дробышев Ф. В., Коншин М. Д., Дубиновский В. Б., Антипов И. Т., Лысенко Ф. Ф., Журкин И. Г., Гук А. П. и др.
На начальном этапе развития фотограмметрии построение стереоскопической модели по фотоснимкам, аэрофотоснимкам выполнялось на оптико-механических приборах (аналоговые фотограмметрические приборы) [78].
Аналитические способы обработки аэрофотоснимков в СССР (преемник-Россия) получили свое развитие с конца пятидесятых годов прошлого века. Классические и универсальные методы решений задач взаимного ориентирования стереопары и внешнего ориентирования модели, базирующиеся на использовании электронной вычислительной машины (ЭВМ), сформулированы Ур-маевым Н. А., Лобановым А. Н. [78]. Различные модификации данных решений использовались в многочисленных программах аналитического фототриангулирования в конце прошлого века и продолжают использоваться в настоящее время как в России, так и за рубежом.
Развитие вычислительной техники во второй половине XX в. привело к появлению комбинированных фотограмметрических приборов с цифровым выходом - аналитических универсальных приборов, в которых аналоговые измерения сочетались с цифровыми вычислениями [80].
Проблемы и пути реализации технологии построения измерительных трехмерных видеосцен
Кроме того, с использованием технологии наземного лазерного сканирования можно выполнять съемку внутри инженерных сооружений (цехов и т. п.), что в ряде случаев весьма затруднительно либо невозможно сделать традиционными методами. Наземное лазерное сканирование позволяет получить более детальную картину о состоянии некоторых объектов нефтегазового комплекса (например, о провисаниях коммуникаций, деформациях), линейные размеры и формы объектов, особенно формы, имеющие сложные сплайновые поверхности, которые, используя традиционные технологии сбора данных, при трехмерном моделировании построить просто невозможно. Точность построения отдельных элементов модели и точность их взаимного положения определяются в основном точностью сканирующей системы.
В [87] отмечается, что в большинстве случаев лазерно-локационный метод обеспечивает определение геодезических плановых координат наземных контурных и точечных объектов, а также координат по высоте в пределах от 10 до 20 см. В настоящее время на практике метод используется преимущественно для масштабов 1 : 2 000-1 : 10 000. Использование лазерно-локационного метода для более мелких масштабов представляется нецелесообразным.
Для выполнения работ с использованием воздушного лазерного сканирования компанией «ГеоЛИДАР», являющейся дистрибьютором фирмы Optech Inc., предлагаются следующие системы [75, 76, 126, 127]: а) воздушные сканеры ALTM (ALTM 30/70, ALTM 3100); б) воздушная лазерная батиметрическая система SHOALS 1000Т. Воздушные сканеры ALTM экономически эффективно использовать в тех условиях, когда применение других методов затруднительно, невозможно или ограничено сезонными факторами (отсутствие ориентиров на местности, сплошная листва, очень «плоский» рельеф поверхности и т. д.). Области применения воздушного лазерного сканера ALTM: нефтегазовая и горная промышленность, электроэнергетика, картографирование городских ландшафтов, архитектурные исследования, дорожное, лесное хозяйства. В далеко не полном перечне перечисленных областей применения воздушного лазерного сканера создаются трехмерные модели следующих видов объектов местности: - нефте- и газопроводов; - ЛЭП и других топографических объектов в полосе отчуждения; - застроенной территории, включая ЦМР, модели зданий и сооружений; - объектов перспективного развития; - памятников и архитектурных сооружений; - объектов для моделирования и мониторинга чрезвычайных ситуаций; - объектов для моделирования и мониторинга наводнений.
Система SHOALS одновременно используется для картографирования мелководья, береговой линии и рельефа на суше, интегрируя подводные и наземные измерения в одном наборе данных. Так как съемка производится с воздуха, то удается избежать проблем со временем и доступом, что сопутствует другим методам съемки. SHOALS может идентифицировать подводные объекты размером (2 х 2 х 2) м, лежащие на дне океана.
Преимущества воздушной лазерной батиметрической системы SHOALS: - высокая экономическая эффективность при съемке на мелководье; - высокая производительность (система SHOALS сканирует на скорости самолета или вертолета, покрывая до 70 км / ч); - отображение в реальном времени глубины дна и положения для точки этого определения на участке зондирования.
Учитывая высокую стоимость комплексов наземного и воздушного лазерного сканирования, последние в настоящее время доступны лишь крупным фирмам и компаниям, обладающим достаточными финансовыми возможностями для внедрения в производство лазерных технологий. Технология наземного и воздушного лазерного сканирования имеет следующие основные преимущества по сравнению с традиционными методами аэрофотосъемки [18, 96, 97]: - непосредственное получение трехмерных моделей рельефа и всех назем ных объектов, а также возможность выполнения по ним геометрических изме рений; - возможность без технологических усилий добиваться сколь угодно высокой степени детальности изображения трехмерных сцен путем выбора соответствующих режимов полета и съемки (прежде всего высоты и скорости полета, а также ширины полосы захвата); - практически полное исключение из технологического цикла наземных геодезических работ, так как получаемые в ходе аэросъемки данные принципиально не нуждаются в планово-высотном обосновании; - мобильность всего аэросъемочного комплекса и средств. На основе имеющегося опыта использования лазерной технологии в реализации вышеназванных проектов компания «Геокосмос» пришла к выводу [88], что материальные затраты по сбору данных и моделированию объектов методами трехмерного лазерного сканирования на небольших участках и объектах сопоставимы с материальными затратами при традиционных методах съемки, а на участках большой площади или протяженности - ниже таких затрат. Даже при сопоставимых расходах на съемку, полнота и точность результатов лазерного сканирования позволяют избежать дополнительных расходов на этапах проектирования, строительства и эксплуатации объекта. Временные затраты -на порядки ниже по сравнению с традиционными технологиями.
Основной недостаток лазерной технологии в настоящее время — высокая стоимость комплексов наземного и воздушного лазерного сканирования.
Одним из новых способов создания ЦМР является способ радиолокационной интерферометрии (в соответствии с перечислением г)) [60, 8, 102].
Радиолокационная интерферометрия (интерферометрическая радиолокация с синтезированной апертурой (РСА)) — способ точного определения высот на местности, основанный на физическом явлении интерференции радиоволн, которые должны быть когерентными. Одно изображение, полученное с помощью РСА, в большинстве случаев не имеет практического значения, тогда как два снимка РСА (интерференционная пара), полученные под различными углами, могут быть использованы для получения цифровой модели рельефа, которая, в свою очередь, может дать информацию об изменениях ландшафта.
Интерферометрия комбинирует комплексные изображения, зафиксированные антеннами под различными углами наблюдения или в разное время. По результатам сравнения двух снимков одного и того же участка местности получают интерферограмму, представляющую собой сеть цветных полос, ширина которых соответствует разности фаз по обоим экспозициям. Все данные съемок представляются в цифровом виде, что обеспечивает объективность и однозначность интерпретации.
В [60, с. 209] приведено следующее описание принципа радиолокационной интерферометрии: «Принципиально радиолокационный интерферометр в отличие от обычного радиолокатора должен иметь не одну, а две антенны, разнесенные на базисное расстояние 5» (рисунок 1.7).
Техническое проектирование. Рекомендации к техническому проектированию
ERDAS IMAGINE поддерживает несколько векторных форматов, в том числе векторно-топологический. Все векторные форматы переходят друг в друга без процедуры импорта-экспорта.
Модуль Virtual GIS доступен для использования с любым из трех вариантов базовых пакетов ERDAS IMAGINE.
Авторами [22, с. 320] дается следующее краткое описание модуля Virtual GIS и его высокая оценка: «Модуль Virtual GIS (виртуальная ГИС) представляет собой передовой край развития ГИС-технологий и обработки ДДЗ. Идея проста: обрабатывая в реальном времени цифровую модель рельефа с наложенным на нее растровым изображением (снимком, картой), пользователь может «пролетать» над синтезированным, но вполне реалистичным перспективным изображением местности, меняя интерактивно и направление полета, и его скорость, и направление взгляда. Кроме того, на рельеф можно наложить и векторные карты в формате ARC/INFO. На трехмерном изображении с помощью специального курсора доступны как значения пикселей растра, так и атрибуты векторных данных ARC/TNFO. Поскольку направление взгляда может меняться вплоть до надирного, фактически исчезает отличие между плановым (картографическим) и перспективным изображением, тем более что и на перспективном изображении можно проводить преобразования контраста и другую обработку». Программа SiteBuilder 3D. Пакет SiteBuilder 3D построен на основе известных разработок компании MultiGen - Paradigm, Inc. (США) — лидера в области трехмерной визуализации. Этот продукт реализован как программная надстройка для Arc View GIS 3.2 и для ArcGIS 8.Х/9.Х [121, 116]. Программа Arc View разработана фирмой ESRI, Inc. (США) и входит в семейство программ ArcGIS. ArcView - мощное средство для управления, отображения и анализа пространственной информации. Используется как самостоятельный настольный ГИС-пакет, а также как клиентское приложение в системе ArcGIS.
Arc View состоит из трех базовых модулей: АгсМар — отображение, редактирование и анализ данных, создание карт; ArcCatalog - доступ к данным и управление ими; ArcToolbox - инструменты управления проекциями и конвертации данных.
Все продукты ArcGIS могут использовать дополнительные модули для решения специализированных задач пространственного анализа: ArcGIS Spatial Analyst, ArcGIS 3D Analyst и др.
Доступ к инструментам SiteBuilder 3D осуществляется из дополнительного меню Arc View. В качестве исходных данных используются двумерные данные из слоев Arc View и дополнительная 3D информация, которая или уже содержится в данных Arc View, или извлекается из цифровых карт, матриц высот и т. д. SiteBuilder 3D создает трехмерную подложку, представляющую местность, а затем «драпирует» контуры местности наложением карты поверх нее, таким образом создавая новую трехмерную сцену. Затем с помощью специальных библиотек (SiteBuilder s 3D Features Libraries) выбираются трехмерные шаблоны для дорог, зданий, деревьев, рек, озер и т. п. Выбранные шаблоны автоматически встраиваются в трехмерную сцену. Трехмерную сцену можно просматривать как в полноэкранном режиме, так и вместе с двумерной картой в окне Arc View. В этом режиме продвижение по трехмерной сцене синхронизировано с продвижением по двумерной карте. SiteBuilder 3D позволяет создавать трехмерные сцены с огромным количеством объектов и высокой степенью детализации. Для достижения нужного уровня детализации без уменьшения скорости просчета, в SiteBuilder 3D используется техника виртуальных текстур, включающая в том числе поддержку атмосферных явлений (облака, туман, смена времени суток).
Имеется возможность выбора информации для создания текстуры из материалов аэрофотосъемки или спутниковой съемки либо из отображения карты в окне ArcView. В обоих случаях SiteBuilder 3D автоматически конвертирует изображение или карту в виртуальную текстуру и накладывает ее на модель рельефа. Имеется возможность добавления 3D символов (моделей, цветов, текстур и т. п.) к двумерным данным для повышения реалистичности создаваемой трехмерной сцены. На рисунке 2.5 показан пример трехмерной сцены с высоты «птичьего полета», построенной средствами SitcBuilder 3D на основе карты в ArcView GIS 3.2. Рисунок 2.5 - Пример трехмерной видеосцены, построенной с помощью SiteBuilder 3D Программа ГИС КАРТА 2011 - ГИС Панорама.
Проект «Панорама» - это набор геоинформационных технологий, включающий в себя профессиональную ГИС КАРТА 2011, промышленный векторизатор электронных карт Панорама - Редактор, инструментальные средства разработки ГИС приложений для различных платформ GIS ToolKit, систему учета и регистрации землевладений Земля и Право, конверторы для обмена данными с другими ГИС [25, 26J. Проект «Панорама» разработан в ЗАО «КБ Панорама» (г. Москва, Россия). Здесь и далее используется название ГИС КАРТА 2011, согласно документации на 2011 г. Ранее были версии программы с названиями КАРТА 2005, КАРТА 2008, КАРТА 2010. ГИС КАРТА 2011 - универсальная геоинформационная система, предназначенная для решения следующих задач [48, 25, 26, 27, 28]: - создание и обновление электронных карт местности по материалам космической или аэрофотосъемки, отсканированным картографическим материалам, полевым измерениям, навигационным и другим данным. Более 100 режимов редактирования векторной карты;
Исследования технологии построения измерительной трехмерной \ видеосцены по материалам аэрофотосъемки объекта «Северо-западный»
Фотограмметрическое сгущение планового и высотного съемочного обоснования выполняется путем построения блочных или маршрутных фотограмметрических сетей. При многомаршрутной, площадной аэрофотосъемке формируются и уравниваются блочные сети. На всех этапах построения и уравнивания сети должны соблюдаться требования и допуски Инструкции по фотограмметрическим работам [39].
Физическое маркирование точек снимков при использовании цифровых фотограмметрических приборов не требуется. Для измерения фотограмметрических точек следует применять метод автоматического отождествления точек на смежных снимках. В зависимости от используемого программного обеспечения, автоматическое отождествление может выполняться для двух, трех и т. д. (до шести или более) снимков, на которых изображается измеряемая точка.
Уравнивание сети может выполняться на основе либо условий компланарности и масштаба, либо условий коллинеарности проектирующих лучей связок. При правильной организации вычислительного процесса оба вида уравнивания приводят к одинаковым результатам [39].
В реальных программах фототриангуляционные сети создаются двумя способами: - посредством совместного уравнивания полной совокупности геодезических, фотограмметрических и других измерений на всю сеть; - путем предварительного формирования отдельных частей сети (одиночных моделей, триплетов, маршрутных сетей) и последующего объединения таких частей в более крупное построение.
«Теоретически первый вариант предпочтительнее и он рекомендуется в качестве основного. На практике, однако, на точность окончательных результатов влияют в большей степени погрешности съемочного обоснования и стереоизмерений, нежели эксплуатационные возможности и алгоритмы различных программ. Поэтому повышения качества продукции следует добиваться, в первую очередь, за счет сокращения погрешностей измерений» [39, с. 32].
После завершения процесса фототриангулирования по его результатам формируют каталоги координат точек фотограмметрического сгущения, элементов внешнего, внутреннего ориентирования снимков и проводят оценку их точности. К каталогу прилагается комплект фотоабрисов точек.
Процесс сбора цифровой информации для построения ЦМР и ЦМО на ЦФС включает: - подготовительные работы; - построение стереомодели или ориентирование одиночного снимка; -сбор цифровой информации о рельефе и объектах местности. При создании ЦМР и ЦМО средствами фотограмметрических технологий для дальнейшего их использования в 3D ГИС возникает задача комплексно 123 го согласования на информационном уровне трехмерных моделей территории, создаваемых на ЦФС, и трехмерных моделей территории, построение которых осуществляется во внутренних структурах 3D ГИС на основе входных пространственных данных, получаемых экспортом из ЦФС. Решение этой задачи требует разработки дополнительных требований к подготовке информационного обеспечения: - к подготовке классификатора и его содержанию; - к правилам сбора цифровой информации о рельефе и объектах территории на ЦФС.
Подготовительные работы заключаются в согласовании исходных данных для единого проекта, подготовке информационного обеспечения (клас- сификатор, библиотека условных знаков, правила сбора).
К классификатору и его содержанию предлагаются следующие требования: - в классификатор должны быть внесены дополнительные слои, обеспечивающие формирование объемного вида элементов конструкции сооружений, например, основание крыши, конек крыши, боковая сторона крыши, навес (коньки крыш и грани кровли необходимы для воссоздания трехмерной модели крыш сложной конфигурации); - требуется включение дополнительных характеристик, обеспечивающих передачу высотной составляющей объекта в виде абсолютного значения; - семантическая информация к объектам должна включать в себя в обязательном порядке сведения о материале и других характеристиках, отражающих внешний вид объектов (количество повторяющихся элементов, порода, тип поверхности и т. п.), что позволит в последующем при моделировании трехмерных сцен в 3D ГИС обеспечить относительно фотореалистичное отображение трехмерных объектов с использованием стандартных библиотек текстур, не прибегая к дополнительному и затратному как по времени, так и по средствам процессу получения детальных фототекстур для каждого объекта или группы типовых объектов на заданную территорию, если последнее не диктуется спецификой решаемой задачи (например, создание трехмерных моделей уникальных, исторических, археологических и т. п. памятников).
Требования к обязательному составу характеристик объектов местности. Так, например, для зданий, строений и их наземных элементов необходимо задавать абсолютную или относительную высоту, этажность, материал, характер огнестойкости. Если здание, строение относится к классу смешанных, каждая часть, отличающаяся по материалу, фиксируется отдельно, и для нее задаются свои характеристики: - для сооружений различного назначения - абсолютная высота, материал, функциональное назначение; - для элементов зданий, строений, находящихся над поверхностью земли (навесы, перекрытия, галереи и т. п.) — высота относительно поверхности Земли, абсолютная высота, материал, функциональное назначение.
Если крыша имеет вид призмы, для слоя «Крыша здания, сооружения» задаются значения высоты основания крыши, высоты конька от основания крыши.
Для элементов зданий, строений, находящихся под поверхностью Земли (входы, крыльца и т. п.) указывается глубина низа относительно поверхности Земли.
Для ограждений указываются высота ограждения, материал ограждения, если он не отражен в наименовании класса (слоя) объектов.
Для линейных объектов, расположенных над/под поверхностью Земли/воды (ЛЭП, ЛС, электрокабели, трубопроводы), задаются глубина заложения (кабелей, труб и т. п.), высота провиса (проводов, кабелей и т. п.), количество (труб, проводов, прокладок), диаметр, материал (трубопровода).
Для дорог и дорожных сооружений различного типа указываются ширина проезжей части, материал (покрытия, полотна и т. п.), количество (проезжих частей, путей и т. д.).
Для объектов древесной растительности, имеющих высотную характеристику (лес различных видов, лесопосадки, питомники, полосы древесной растительности, отдельно стоящие деревья и т. п.) указываются значения максимальной высоты деревьев (дерева), название породы (дерева, лесного массива и т. д.), среднее расстояние между деревьями (для массивов лесной растительности), число рядов деревьев (для полос древесных насаждений).
Построение фотограмметрической модели осуществляют либо по данным фотограмметрического сгущения, либо путем последовательного выполнения внутреннего, взаимного ориентирования снимков, внешнего ориентирования фотограмметрической модели (при сплошной подготовке). На каждом этапе осуществляются контрольные операции в соответствии с требованиями Инструкции по фотограмметрическим работам [39].
После построения модели производят сбор информации о рельефе и/ или объектах территории в последовательности, определяемой характером объекта работ.
Сбор информации о рельефе при стереоскопической рисовке на цифровой фотограмметрической системе может выполняться в ручном, автоматизированном, интерактивном режиме или в их сочетаниях. При выборе любого режима сбор выполняется в соответствии с требованиями Инструкции по фотограмметрическим работам [39].
В автоматическом режиме сначала автоматически строится либо ЦМР для узлов регулярной сетки (с заданным интервалом) и пикетов (характерных точек), либо ЦМР в виде нерегулярной триангуляционной сети. Затем высоты узлов ЦМР, которые не «лежат» на поверхности фотограмметрической модели, редактируют. При необходимости выполняют построение горизонталей.
