Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор технологий создания планово картографической продукции фотограмметрическими методами 9-33
Глава 2. Разработка технологии создания контурного плана. Исследование задачи ориентирования снимка 34-60
2.1. Обоснование возможности создания кадастровых планов городских территорий на основе использования центральных частей аэрофотоснимков 35-42
2.2. Влияние взаимного расположения опорных точек на точность ориентирования снимка 42-49
2.3. Решение обратной фотограмметрической засечки по плановым опорным точкам 50-60
Глава 3. Исследование способов моделирования рельефа при обработке одиночного снимка 61-78
3.1. Построение цифровых моделей рельефа при обработке одиночных снимков 62-74
3.2 Моделирование рельефа при фотограмметрической обработке фрагментов увеличенных снимков 74-78
Глава 4. Использование материалов аэрофотосъёмки для учёта и мониторинга земель 79-103
4,1 Синтезирование разновременных аэрофотоснимков для мониторинга местности 80-97
4.2. Исследование влияния формы и изрезанное границ при векторизации изображений объектов на точность определения площадей 98-103
Заключение 104-110
Литература 111-1
- Влияние взаимного расположения опорных точек на точность ориентирования снимка
- Решение обратной фотограмметрической засечки по плановым опорным точкам
- Моделирование рельефа при фотограмметрической обработке фрагментов увеличенных снимков
- Исследование влияния формы и изрезанное границ при векторизации изображений объектов на точность определения площадей
Влияние взаимного расположения опорных точек на точность ориентирования снимка
Использование центральных частей снимков позволяет уменьшить влияние угла наклона и рельефа на разномасштабность изображения. «Мертвые зоны», возникающие при построении изображений высотных объектов в центральной проекции, имеют минимальные значения в этой части снимка. Поэтому изображение в центральной части снимка можно считать ортогональным.
В рассматриваемой технологии предлагается выполнение аэрофотосъёмки с продольными перекрытиями, равными поперечным (рх=Ру). Величины перекрытий будут определяться допустимыми размерами «мёртвых зон» и параметрами фотографированиямН и т. Для теоретичесого обоснования этого вопроса была определена зависимость радиуса г круга на снимке с центром в точке надира ( для гиростабилизрованной аэрофотосъёмки), в пределах которого ширина «мёртвой зоны» не превышает величины Т(м) на местности. При этом учитывались высота здания Ь(м) и фокусное расстояние объектива f аэрофотоаппарата.
Ниже, в таблице 2.1 приводятся размеры стороны рабочей площади снимка" для различных значений f, Т, h. В скобках указаны продольное и поперечное перекрытия снимков (со стороной 180x180мм), при которых рабочая площадь снимков представляет собой квадрат с указанной стороной. Как видно из таблицы 2.1, использование длиннофокусных АФА и проведение аэрофотосъёмки с большими продольными и поперечными перекрытиями позволяет минимизировать площадь «мёртвых зон» и, как следствие, на этапе дешифрирования уменьшить объёмы досъёмки неизобразившихся объектов.
В «Строительных нормах и правилах» (СНиП) предусматривается прокладка подземных коммуникаций в зависимости от их типа на расстоянии Зм, 4м и 5м от фундаментов жилых зданий и сооружений (определяется степенью разрушительного воздействия). В связи с этим ширина «мёртвых зон» в таблице 2.1 принималась из соображений увеличения вероятности изображения люков коммуникационных колодцев на аэрофотоснимках.
Как известно, при аналитической обработке одиночного снимка влияние рельефа учитывается его моделированием, а влияние угла наклона устраняется перспективными преобразованиями.
В таблице 2.2 приведены результаты выполненных расчётов размеров стороны рабочей площади снимка, в пределах которой перспективные искажения не превосходят 0,2 мм. Расчёты выполнены для гиростабилизированной аэрофотосъёмки с равными продольными и поперечными перекрытиями, для различных фокусных расстояний АФА и коэффициентов увеличения. Если обрабатываемая часть снимка попадает в эту зону, то перспективные преобразования можно заменить масштабированием. При этом уменьшается необходимое количество опорных точек на один снимок с 4 до 3 (решение с контролем). Таким образом, работы по привязке снимков сокращаются на 25%.
Анализ данных приведённых в таблицах 2.1 и 2.2, позволяет сделать вывод, что при проведении гиростабилизированной аэрофотосъёмки с продольными и поперечными перекрытиями 70% аэрофотоаппаратом с фокусным расстоянием f=1000мм фотограмметрическую обработку можно проводить с 10-кратным увеличением, трансформирование заменить масштабированием, при этом величина «мёртвых зон» не будет превышать Зм. В таблице 2.3 приведены результаты расчётов максимально возможных перепадов высот в метрах на обрабатываемых центральных частях снимков. При этом смещения точек за рельеф не превосходят 0,4 мм в масштабе создаваемого плана. Расчеты выполнены для различных фокусных расстояний АФА, масштабов создаваемых планов (1 :М) и расстояний г от точки надира.
На основе данных, приведённых таблице 2.3, может быть принято решение о необходимости построения цифровой модели рельефа или представлении рельефа в виде горизонтальной плоскости, т.е. присвоении всем определяемым точкам одной высотной координаты. Далее приводится блок-схема производственных этапов предлагаемой технологии.
Технологическая схема процессов создания кадастрового плана с использованием центральных частей снимков. Апробация технологической схемы выполнена в экспериментальном варианте с помощью программы «Новая земля», позволяющей производить фотограмметрическую обработку одиночных снимков
Выполнена экономическая оценка предлагаемой технологии. Естественно, что на этапе производства аэрофотосъёмочных работ в соответствии с рекомендованными продольными и поперечными перекрытиями происходит увеличение затрат, вызванных увеличением числа маршрутов и количества снимков. Однако, использование центральных частей снимков позволяет сократить процесс досъёмки при полевом дешифрировании не изобразившихся объектов в «мёртвых зонах». Сокращаются объёмы работ по сплошной привязке снимков и затраты на их проведение, исключается процесс построения цифровой модели рельефа. Предполагаемый экономический эффект составит примерно 10% (расчёт выполнен по результатам обработки тестового участка).
Решение обратной фотограмметрической засечки по плановым опорным точкам
Экспериментальное решение обратной фотограмметрической засечки выполнялось по реальным снимкам аэрофотогеодезического полигона. Снимки обеспечены достаточным количеством опорных точек, расположенных достаточно равномерно по всей площади изображения. Опорные точки использовалась не только для определения ЭВО, но и в качестве контрольных. Параметры аэрофотосъёмки следующие: фокусное расстояние і"=99,98мм, высота фотографирования Н= 1500м.
Координаты опорных точек измерялись монокулярно на фотограмметрическом приборе « STECOMETR». Точность измерения координат равняется 0,005мм.
Для определения элементов внешнего ориентирования была составлена программа классического решения обратной фотограмметрической засечки: по возможно минимальному количеству опоры - трём планово- высотным точкам( в различных сочетаниях) получены шесть неизвестных ЭВО. Экспериментальная проверка возможности определения элементов внешнего ориентирования по плановым опорным точкам выполнялась с использованием программы, составленной по приведённому выше алгоритму.
Эксперимент состоял из двух частей.
Первая заключалась в определении ЭВО по шести опорным плановым точкам. Как и предполагалось из предложенного автором теоретического обоснования, возникли неопределенности вычисления высотной координаты Z. Это выразилось в том, что ряд вычисляемых неизвестных при последовательных итерациях расходится. Неопределённость снимается, если связку, как и рассмотрено выше, закрепить по высоте с использованием планово-высотной опорной точки.
Вторая часть эксперимента состояла в решении обратной фотограмметрической засечки с использованием четырёх плановых и одной планово-высотной опорных точек. Это минимально допустимый набор опорных точек. Пять опорных точек такого сочетания дают возможность составить 10 уравнений с 10-ю неизвестными. Вычисленные элементы внешнего ориентирования сравнивались с полученными средними результатами при решении обратной фотограмметрической засечки классическим способом. Расхождения по X, Y,Z координат центра проектирования достигали 2м.
Подводя итоги теоретических и экспериментальных исследований возможности использования плановых опорных точек при фотограмметрической обработке одиночных снимков, можно сделать следующие выводы: - для определения ЭВО снимка возможно использование плановой опоры; для решения с контролем необходимы 5 плановых и 1 планово-высотная опорные точки; -для определения высотной координаты Zs центра фотографирования одна из опорных точек должна быть планово-высотной; -желательно опорные точки располагать по углам рабочей площади снимка; -опорная точка не должна находиться на расстоянии ближе f/20 от главной точки снимка. Глава 3. Исследование способов моделирования рельефа при обработке одиночного снимка 3.1 Построение цифровых моделей рельефа при обработке одиночных снимков
Проведение земельно-кадастровых работ предполагает использование планово-картографических материалов масштабов 1:500 - 1:2000. Подобные материалы создаются чаще всего по аэрофотоснимкам. Точность получаемых кадастровых планов зависит как известно, от параметров аэрофотосъемки, метода обработки (стереофотограмметрической или одиночного снимка) и выбранной технологии.
Существующие технологии цифровой обработки одиночного снимка предполагают построение цифровых моделей рельефа. Создание ЦМР производится различными способами: стереофотограмметрическим, с использованием топографических планов и карт, по результатом полевых геодезических измерений. Последние выполняются совместно со сплошной привязкой снимков (фрагментов увеличенных снимков). Различают регулярные и структурные ЦМР. Регулярные ЦМР создаются автоматически на цифровых фотограмметрических станциях (ЦФС), где модель формируется из равномерной сети высотных пикетов заданной густоты. Структурные ЦМР строятся: а- оператором при стереонаблюдениях модели на ЦФС, б- по результатам полевых измерений. При этом пикеты выбираются на орографических линиях и экстремальных точках рельефа что повышает точность моделирования ЦМР.
При инвентаризации земель поселений, кадастровых работах используются базовые планы, создаваемые по технологиям фотограмметрической обработки фрагментов увеличенных снимков. Коэффициенты увеличения достигают, как уже отмечалось ранее, 5 -10 крат. В зависимости от площади и конфигурации поселения его территория покрывается одним или несколькими фрагментами одного или различных снимков. Для их фотограмметрической обработки выполняется полевая привязка фрагментов. Опорные точки располагаются по периметру границ рабочих площадей фрагментов. При незначительном рельефе опорные точки используются для создания модели рельефа. В этом случае ЦМР представляют в виде наклонной плоскости. Если рельеф более сложный, то внутри рабочей площади фрагмента выбирается ряд пикетных точек, которые в дальнейшем наряду с опорными служат для построения ЦМР. В этом случае рельеф аппроксимируется криволинейной поверхностью. Количество таких пикетов и их размещение, как правило, случайно. Рассмотрим вариант оптимизации количества и размещения точек и пикетов, исходя из оценки влияния рельефа местности на геометрию снимка.
Как известно из решения прямой фотограмметрической засечки, погрешность в определении высоты точки по ЦМР влечёт за собой погрешность в вычислении плановых геодезических координат точки местности.
Моделирование рельефа при фотограмметрической обработке фрагментов увеличенных снимков
Проведение земельно-кадастровых работ предполагает использование планово-картографических материалов масштабов 1:500 - 1:2000. Подобные материалы создаются чаще всего по аэрофотоснимкам. Точность получаемых кадастровых планов зависит как известно, от параметров аэрофотосъемки, метода обработки (стереофотограмметрической или одиночного снимка) и выбранной технологии.
Существующие технологии цифровой обработки одиночного снимка предполагают построение цифровых моделей рельефа. Создание ЦМР производится различными способами: стереофотограмметрическим, с использованием топографических планов и карт, по результатом полевых геодезических измерений. Последние выполняются совместно со сплошной привязкой снимков (фрагментов увеличенных снимков). Различают регулярные и структурные ЦМР. Регулярные ЦМР создаются автоматически на цифровых фотограмметрических станциях (ЦФС), где модель формируется из равномерной сети высотных пикетов заданной густоты. Структурные ЦМР строятся: а- оператором при стереонаблюдениях модели на ЦФС, б- по результатам полевых измерений. При этом пикеты выбираются на орографических линиях и экстремальных точках рельефа что повышает точность моделирования ЦМР.
При инвентаризации земель поселений, кадастровых работах используются базовые планы, создаваемые по технологиям фотограмметрической обработки фрагментов увеличенных снимков. Коэффициенты увеличения достигают, как уже отмечалось ранее, 5 -10 крат. В зависимости от площади и конфигурации поселения его территория покрывается одним или несколькими фрагментами одного или различных снимков. Для их фотограмметрической обработки выполняется полевая привязка фрагментов. Опорные точки располагаются по периметру границ рабочих площадей фрагментов. При незначительном рельефе опорные точки используются для создания модели рельефа. В этом случае ЦМР представляют в виде наклонной плоскости. Если рельеф более сложный, то внутри рабочей площади фрагмента выбирается ряд пикетных точек, которые в дальнейшем наряду с опорными служат для построения ЦМР. В этом случае рельеф аппроксимируется криволинейной поверхностью. Количество таких пикетов и их размещение, как правило, случайно. Рассмотрим вариант оптимизации количества и размещения точек и пикетов, исходя из оценки влияния рельефа местности на геометрию снимка.
Как известно из решения прямой фотограмметрической засечки, погрешность в определении высоты точки по ЦМР влечёт за собой погрешность в вычислении плановых геодезических координат точки местности. 5ьm= АX2+Ду2. При этом смещение точек за рельеф не одинаково по полю снимка, а прямо пропорционально удалённости от точки надира при прочих равных условиях. Очевидно, что густота высотных пикетов, предназначенных для моделирования рельефа, должна повышаться к краям снимка. Поэтому предлагается цифровую модель рельефа представить поверхностью сложного многогранника, каждой гранью которого является треугольник близкий к равностороннему. Каждый из этих треугольников предлагается использовать в качестве элементарной площадки, в пределах которой производится трансформирование на наклонную плоскость, задаваемую вершинами данного треугольника.
В качестве схемы планового расположения высотных пикетов предлагается использовать радиально-кольцевую сеть треугольников, сгущающихся от точки надира к краям снимка. Произведённые расчёты определили зону в центральной части снимка , в пределах которой смещения за рельеф не превосходят допустимого значения. Выведена формула для определения радиуса г круга с центром в точке надира, внутри которого практически отсутствует влияние рельефа на смещение точек. Для вывода этой формулы воспользуемся известной формулой смещения точки за рельеф 5h = rh/H и формулой определяющей масштаб аэрофотосъёмки 1/т = f/H. Подставляя из второй формулы выраженное значение Н в первую, получаем
Исследование влияния формы и изрезанное границ при векторизации изображений объектов на точность определения площадей
Как видно из таблицы 4.2, несовпадение совмещаемых изображений будет не более 0,2мм по всей рабочей площади снимка при гиростабилизрованной съёмке аэрофотоаппаратами с фокусным расстоянием 350мм и более.
Более значительным препятствием в реализации предлагаемого способа совмещения разновременных снимков является рельеф. Первоначальным условием являлось использование при совмещении только трансформированных изображений. Выходом из положения может стать ограничение влияния рельефа на точность совмещения путём расчёта определенных допусков, при которых предлагаемый способ будет применим без снижения достоверности результатов анализа синтезированных изображений.
Очевидно, что изображения не совместятся, если их точки надира не совпадают и фокусньіе(Г) расстояния АФА, с помощью которых получены разновременные снимки, окажутся разными. Определим влияния названных факторов.
Допустим, что снимки получены при разных f, но центры проекции Si и S2 находятся на одной отвесной линии (рис.4.8).
Для случая U = 200мм и =140мм; m = 10000; A5h =0,2мм (допустимая ошибка опознавания границ чётко изобразившихся объектов) при продольном и поперечном перекрытии рх =60% и Ру=40% и размере снимка 180 х 180мм получаем h =14м. Общий интервал возможного изменения высот точек местности будет 2 h = 28м.
Увеличение допуска A5h в 2-2,5 раза даёт возможность соответственно расширить допустимый диапазон изменения h без снижения надёжности анализа изменения ситуации. Ложные сигналы о наличии изменений легко выявляются по появлению локальных систематических смещений изображений всех объектов.
Рассмотрим случай, когда f разновременных снимков одинаковы, а точки надира не совпадают. Для минимизации расхождений в положении сохранившихся точек изображений последние должны совмещаться по точкам, лежащим в средней секущей плоскости анализируемого участка местности. Несовмещение прочих точек (рис.4.9) выразится величиной h = A5hШС+Д5Ь) (4.8) Для случая А 8h =0,2мм; f = 140мм; m = 10000 при том же формате кадра и перекрытиях снимков предельное значение К= 65мм; 2h допустимое будет порядка 9 м. При продольном перекрытии снимков рх = 80% 2h увеличивается до 22 м. Приняв Л 5h = 0,4-0,5мм, получим (для худшего случая) 2h порядка 50 м. На основе выполненного анализа можно сформулировать рекомендации с позиций фотограмметрии, которые могут быть учтены при выполнении новой аэрофотосъёмки: маршруты новой аэрофотосъёмки следует совмещать с маршрутами прежней съёмки (это упрощает и другие работы по обновлению карт); при невозможности совмещения маршрутов следует увеличить продольные и поперечные перекрытия снимков; для новой съёмки использовать АФА с прежним значением фокусного расстояния.
Рассмотрим некоторые вопросы фотометрического аспекта. Одним из условий выделения на синтезированных изображениях только изменившихся элементов ситуации было сохранение яркости поверхности неизменившихся объектов и объектов, у которых изменились только границы. Если яркость большинства топографических объектов сравнительно устойчива во времени, яркость сельскохозяйственных угодий существенно меняется. Поэтому на синтезированных изображениях, для некоторых участков, не будет выполняться условие (4.1). Здесь появятся ложная информация об изменении ситуации. Такая информация легко выявляется человеком по неизменности границ объектов - в данном случае не будут наблюдаться эффекты оптического совмещения (рис.4.2, объект С) на участках с неизменёнными границами. Аналогичным образом оператором могут выявляться ложные сигналы об изменениях топографических объектов вследствие, например, изменения яркости грунтовых дорог, смены кровельного покрытия крыш на зданиях или перекраски её, изменения условий освещения и др.
Исходя из сказанного, можно сформулировать дополнительные рекомендации, упрощающие использование способа совмещения разновременных снимков, к условиям проведения новой аэрофотосъёмки - сохранение календарного сезона съёмки, условий освещения (время суток), типа аэрофотоплёнки и светофильтра.
Современное программное обеспечение, предназначенное для обработки тональных изображений, имеет специальные модули, позволяющие производить совмещение нескольких снимков ( в том числе разновременных или полученных разными съёмочными системами). Возможность и эффективность их применения в целях выявления изменения ситуации, достоверность получаемых результатов в значительной мере будут зависеть от учёта рассмотренных ранее фотограмметрических и фотометрических условий.
Рассмотренный способ выявления изменений ситуации может быть с большим эффектом использован при сопоставительном анализе разновременных космических снимков. В этом случае ограничений по рельефу практически нет, за исключением горных районов. Изложенный принцип также может быть использован для мониторинга динамических процессов, например, для изучения процессов оврагообразования. 4.2. Исследование влияния формы и изрезанное границ при векторизации изображений объектов на точность онределения площадей
Концепция мониторинга территорий по материалам аэро- и космических съёмок предусматривает выявление изменений различного характера: пространственного положения объекта, площади, качественного состояния, правового статуса объекта. Изменение пространственного положения и площади объекта выявляется путём сравнения геодезических координат и площадей одноимённых контуров, имеющихся на старых материалах (или хранящихся в базе данных) с материалами полученными по материалам новых АКС Одним из факторов определяющих метрические изменения объектов является погрешность опознавания и нанесения границ контуров и объектов при дешифрировании или векторизации. В литературе известны подходы при решении данной проблемы В основном исследования в данном направлении птзоводились специалистами геодезической нavKH с целью определения степени стаг)ения планово-картографического материала (список).
