Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние картографической изученности территории Мексики 10
1.1. Физико-географическая характеристика Мексики 10
1.2. Картографическая изученность и задачи стоящие перед топографо-геодезической службой по картографированию 26
1.3. Организация топографо-картографических работ в Мексике, предприятия, оборудования и технологии 38
1.4. Выводы по первой главе 46
2. Анализ современных съемочных космических систем, методов и технологий фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков при создании и обновлении топографических карт по материалам аэрокосмических съемок 48
2.1. Современные спутниковые съемочные системы 48
2.2. Современные фотограмметрические системы 56
2.3. Технологии создания и обновления топографических карт 67
2.4. Выводы по второй главе 74
3. Разработка и исследование технологии создания и обновления топографических карт на территорию Мексики по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков 76
3.1. Технология создания и обновления топографических карт на территорию Мексики по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков 76
3.2. Экспериментальное исследование технологии создания и обновления топографических карт на территории Мексики по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков 85
3.3. Выводы по третьей главе 99
Заключение 101
Список литературы 103
Приложение 111
- Картографическая изученность и задачи стоящие перед топографо-геодезической службой по картографированию
- Организация топографо-картографических работ в Мексике, предприятия, оборудования и технологии
- Современные фотограмметрические системы
- Экспериментальное исследование технологии создания и обновления топографических карт на территории Мексики по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков
Введение к работе
Разработка эффективных методов создания и обновления топографических карт крупного масштаба является актуальной, поскольку ее успешное решение и последующее развитие вносят важный вклад в обеспечение информации о Земле как основе земельных реформ, планирования, развития и управления земельными ресурсами. Решение этой задачи создает условия для повышения производительности картографического производства, помогает рационально планировать процессы в работе сбора топографической и кадастровой информации, в том числе фотограмметрической обработки современных аэрокосмических снимков, а также приносить определенный экономический эффект.
Создание и обновление топографических карт являются существенными факторами при планировании развития экономического производства страны. Современная и достоверная информация о состоянии местности дает возможность принимать правильные решения при планировании народнохозяйственных задач. Следовательно, для этого требуется не только полное покрытие территории страны топографическими картами и другими документами о местности, но и их периодическое обновление. При этом желательно использовать такие технологии, которые могли бы обеспечивать создание и обновление карт с относительно небольшими временными и финансовыми затратами.
С момента появления космических съемочных систем, а также внедрения в топографо-геодезическое производство цифровых технологий фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков, проблемы создания и обновления топографических карт стали решаться на качественно новой основе. Развитие съемочных спутниковых систем и методов обработки космических снимков высокого разрешения на основе применения цифровых фотограмметрических систем принципиальным образом изменяют технологию создания и обновления топографических и кадастровых карт различных масштабов, в том числе и крупных. Однако, как и в традиционных технологиях при фотограмметрической обработке сканерных космических снимков высокого разрешения необходимо выполнение достаточно трудоемких и дорогостоящих полевых геодезических работ по планово-высотной подготовке снимков, что увеличивает сроки и финансовые затраты на создание и обновление топографических и кадастровых карт. Повышение производительности труда при создании и обновлении топографических карт, необходимо искать в дальнейшем совершенствовании имеющихся фотограмметрических методов и технологий получения и обработки аэрокосмической информации.
Настоящая работа посвящена разработке рациональной и экономичной цифровой фотограмметрической технологии создания и обновления топографических карт различных масштабов по материалам космической съемки, с учетом реальных возможностей мексиканского производства сегодняшнего дня.
На основе проведенного анализа и обобщения современных цифровых фотограмметрических технологий создания и обновления топографических карт, средних и крупных масштабов, предложена технология создания и обновления топографических карт средних и крупных масштабов для территории Мексики, основанная на совместном использовании космических сканерных снимков высокого разрешения (5м-0,6м), и архивных аэрофотоснимков мелкого масштаба.
Предложенная технология предусматривает:
построение по архивным аэрофотоснимкам сетей пространственной фототриангуляции и цифровых моделей рельефа местности, определение координат точек на местности, которые в последующем используются в качестве опорных точек для внешнего ориентирования одиночных или стереопар сканерных космических снимков;
внешнее ориентирование одиночных или стереопар космических сканерных снимков по опорным точкам и построение с использованием цифровых моделей рельефа цифровых ортофотопланов, по которым создаются цифровые топографические карты.
Эта технология была предложена и обоснована в результате решения следующих задач:
-Исследования возможности использования снимков, получаемых существующими сканерными космические съемочными системами высокого разрешения, для картографического производства.
-Анализа и выбора цифровых фотограмметрических систем для совместной обработки аэрофотоснимков и космических снимков.
-Исследования точности определения геодезических координат точек местности по архивным аэрофотоснимкам мелкого масштаба.
-Разработки методики создания цифровых ортофотопланов по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков.
Для экспериментальной проверки предложенной технологии созданы ортофотопланы по космическим снимкам высокого разрешения (Spot-5 и Ikonos), и аэрофотоснимкам масштаба 1:75 000,
Решение сформированных выше задач и обоснование необходимых методов их реализации в диссертационной работе изложены в следующей последовательности.
В главе 1 даны физико-географические характеристики Мексики, сведения о современном состоянии картографической изученности территории Мексики, а также об организации топографо-картографических работ в Мексике.
В главе 2 анализируются современные спутниковые съемочные системы, современные фотограмметрические системы и технологии создания и обновления топографических карт.
В главе 3 предлагается технология создания и обновления топографических карт на территории Мексики по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков, а также показана возможность практической реализации разработанной в диссертации технологии.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, представляемые к защите.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своему руководителю профессору Александру Павловичу Михайлову за внимание и помощь в работе. Автор также признателен Национальному Совету Наук и Технологий Мексики (CONACYT), Ректору Московского Государственного Университета
Геодезии и Картографии (МИИГАиК), Ректору Автономного Университета Синалоа (U.A.S.), своей Семье за поддержку.
Картографическая изученность и задачи стоящие перед топографо-геодезической службой по картографированию
До середины XX века, в Мексике картографические работы были ориентированы в основном на изучение основных характеристик национальной территории. Таких, как государственные и административные границы, рельеф, гидрография, растительность и главные объекты существующей инфраструктуры. Топографические карты, которые были сделаны в этом периоде, характеризовались мелкими масштабами.
Государственные учреждения работали над производством топографических и тематических карт, из-за этого необходимо было осуществлять большое количество полевых и камеральных работ. Первые из них были направлены на геодезическо-топографические съемки, а вторые базировались на новой технике и фотограмметрических методах. Эти работы были осуществлены разными методами, на разных геодезических основаниях и к тому же мелкими масштабами, в зависимости от поставленных задач и своих возможностей.
Первые картографические работы, покрывающие национальную территорию в её совокупности, содержащие планиметрические и высотные информации, реализованы для создания топографической карты мексиканской республики в масштабе 1: 500 000, которая была сформирована сначала в конической равноугольной проекции Ламберта. Далее, в 1958 г., карта была сформирована в Универсальной Поперечной проекции Меркатора (UTM), с высотой сечения 200 метров, и на нее зафиксированы топонимия и другая информация, применяемая для всех топографических карт. До 60-ых годов, топографические карты в масштабе 1: 100 000, с высотой сечения 50 м. а также топографические карты в масштабе 1: 250 000, использовались в качестве основных для государственных топографических работ [22].
В таком же масштабе были созданы различные тематические карты, которые позволили оценить природные ресурсы, на национальном и региональном уровне, среди этих карт выделяются-следующие: Климатологический и Гидрологический Атлас бассейна «Папалоапан», который предлагает климатологическую информацию, сведения о гидрологии и гидрометеорологии; Карта Сельскохозяйственной Границы и Способность Использования Почвы, которая показывает общие сведения о почвоведении и назначении земель и локализацию площадей, пригодных к использованию в сельском хозяйстве; Гидрологический Атлас Мексиканской Республики, который представляет глобальную панораму распределения и использования воды, и одновременно является инструментом проектирования и Атлас Использования Почвы в Мексиканской Республике, который содержит различные сведения о способах использования почвы в сельском хозяйстве, скотоводстве и лесном хозяйстве, подготовленный с целью планирования, изучения и исследования [65].
Развитие строительства и сохранения дорог и аэропортов требовали развивать изучение территории для получения географической и социально-экономической информации по регионам. С этой целью вырабатываются топографические карты и системы с метеорологическими и орографическими данными [50].
Под руководством Комиссии по Изучению Национальной Территории и Проектированию, реализовались исследования природных ресурсов и инфраструктуры страны, а также её представление посредством картографии.
Это Учреждение выработало серию топографических карт в масштабе 1:50 000, единственных в своем роде в то время, таким образом, каждая карта покрывает тысячи квадратных километров площади. Созданные топографические карты масштаба 1:50 000 являлись основными, по которым создавались карты более крупных масштабов. Эти карты показывают черно-белым цветом культурно-социальные данные - населенные пункты, дороги, сеть коммуникаций, и т.д.; синим цветом, они представляют данные о гидрологии; зеленым цветом показывают информацию, относящуюся к растительности и коричневым цветом - высоты.
Кроме этого проекта, это Учреждение печатает серию тематических карт в масштабе 1:50 000, содержащих сведения о природных ресурсах, геологии, почвоведении и использовании почвы.
Для выполнения этой работы, были приобретены и использованы самые лучшие инструменты той эпохи (самолеты, вертолеты, аэрофотоаппараты, фотограмметрические инструменты, теодолиты, электронные дальномеры, и т.д.) и повышена квалификация технических отрядов для более эффективного использования оборудования. Также, была установлена процедура производства.
Проект создания Топографических карт в масштабе 1:50 000 длился 20 лет, в течение которых было достигнуто полное покрытие национальной территории, были выполнены 2292 карты, проект завершился в конце 80-ых годов [52].
В Мексике, из-за ускоренного увеличения населения и последовательного физического расширения городов, появилась необходимость регулирования населенных пунктов, кроме того, создания новых полюсов развития в стране. Для этого обрабатывались разные картографические материалы, например Городской Атлас Населенных пунктов, изданный в 1980 г, который содержит карты в масштабе 1:25 000 всех главных городов страны, и содержит сведения о первичном разделении на зоны, запасах и возможностях использования местности.
Кроме того, была разработана картографическая основа сельскохозяйственной земельной собственности штата Керетаро. В ходе этой работы было создано 77 карт недвижимости в масштабе 1: 20 000. После этого, Секретариат Сельскохозяйственной Реформы начинает Национальную Программу Деревенского Кадастра и Упорядочивания Земельных Владений, для создания условий, которые гарантировали бы юридическую безопасность владения землями, страны. Для этого Секретарь начинает создавать кадастровую картографию всей деревенской существующей земельной собственности, по типам собственности. Эти материалы были выполнены в масштабе 1: 50 000 в печатном и цифровом виде [65]. Государственное Мексиканское Нефтяное Предприятие (РЕМЕХ), и Мексиканский Институт Нефти (IMP), проводят геологические исследования с целью определения новых месторождений, использования новых технологий и производительных процедур, которые обогащают географическую информацию о стране. В результате этих работ создаются тематические карты сельского хозяйства, растительности, скотоводства, экономики, и т.д., а также проводится исследование современной техники, для применения к полевьш и лабораторным работам.
Организация топографо-картографических работ в Мексике, предприятия, оборудования и технологии
В настоящее время в Мексике усилия государства направлены на координацию деятельности картографического производства страны, так как разные производственные учреждении продолжают создание собственных топографических карт и планов.
В Законе о Национальной Системе Географической Информации от 11 сентября 1996 года дается определение обязанностей Национального Института Статистики и Географии (TNEGI) в отношении географии, ее интеграции и развития. Также в этом Законе регламентируется организация топографо-картографических работ, при этом также рассматривается политика внедрения норм с целью унификации географической информации о стране, а также создание национальной картографии [65].
С целью унификации технологий создания картографических материалов, используемых в различных учреждениях, INEGI создает централизованную структуру. Она состоит из семи главных управлений, два из которых ответственны за статистическую информацию в социальной, демографической и экономической сфере; два - за географическую и экологическую информацию; пятое занимается вопросами информатики, шестое - распространением информации, последнее является административным управлением. Кроме того, институт располагает 10 региональными и 32 государственными распорядительными центрами, которые собирают всю необходимую информацию по стране.
Через Главное Управление Географии, в Мексике уточняется картографическая информация о физической территории, природных ресурсах и инфраструктуре с помощью материалов аэрофотосъемки разных масштабов, а также используются космические снимки и реализуются полевые геодезические работы, их расшифровка и анализ. Управление также координирует Национальную систему Географической Информации Мексики, ее политику и нормы ее регулирования.
Главное Управление Кадастровой картографии отвечает за производство измерении и картографии для нужд сертификации и раздела более 102 миллионов гектаров, которые составляют 52 % национальной территории, и соответствуют сельскохозяйственным, центрам страны.
Кроме того, недавно правительство Мексики законодательно утвердило новую земельную реформу, разрешающую передачу части земельных угодий (более 10 млн. участков) в частное владение фермерам.
В настоящее время государство Мексики через ESffiGI осуществляет программу модернизации, цель которой состоит в увеличении распространения по стране статистической и географической информации, улучшении ее качества, и этим оказывает помощь в национальной модернизации различных секторов экономики с помощью развития передовых технологий и профессионального подбора кадров. В этих целях была создана программа, для которой требуется использование новейших информационных технологий, среди которых можно выделить дистанционное зондирование, современную аэрофотосъемку, цифровую фотограмметрию, систему глобального позиционирования. Также создаются географические информационные системы для применения в создании и обновлении картографического производства в рамках интеграции и развития национальной системы географической информации, для выполнения поставленных перед ней задач[51]. Использование и анализ различных спутниковых снимков позволяет расширять их применение различными организациями, например: Национальной метеорологической службой (НМС), которая предоставляет информацию о погоде в национальном и региональном масштабах и ведет постоянное наблюдение за атмосферой, с целью обнаружения метеорологических явлений, которые каким либо образом могут принести вред экономике страны. НМС имеет наземную станцию - приемник изображений с метеорологического спутника GOES-8, который используется для исследования таких опасных явлений природы, как бури, холодные фронты или ураганы, также эта информация используется метеорологами для разработки прогнозов.
Институтом Технологического и Высшего образования в Монтеррее, который разрабатывает карту рисков наводнений для гидрологической котловины на юге муниципалитета Монтеррей в Нуэво-Леоне.
Институтом Национального Автономного Университета Мексики, который, используя снимки SeaWiFS, изучает океанографию Мексики.
Междисциплинарным Центром Морских Наук в Ла-Пасе, Южная Нижняя Калифорния, который, посредством анализа изображений спутника NOAA, осуществляет изучение структуры океана. Национальным Центром Предотвращения Бедствий (НЦПБ), который обрабатывает карты риска наводнений по изображениям спутника LANDSAT, чтобы определять границы потенциальных зон и степень риска, который представляют наводнения.
Секретариатом Торговли и промышленного Поощрения, который осуществляет картографическую программу через Совет Минеральных Ресурсов. В ходе этой программы разрабатываются геологические, рудничные, геохимические и геофизические карты в цифровом формате, с использованием снимков LANDSAT в масштабе 1: 250,000.
Национальным Автономным Университетом Мексики (UNAM), который реализует исследование биологической географии района ТУКСТЛА; Университетом в Чихуахуа, который использует снимки спутника LANDSAT, для анализа структуры и возможностей использования лесов этого района.
В то же самое время в INEGI разрабатывается компьютерная система для обработки сканерных космических изображений, так называемой SPEPR (Личной интерактивной Системы дистанционного Зондирования). Эта система служит для повышения квалификации персонала Института и других правительственных органов, распределяется по регионам и даже по различным картографическим учреждениям, если от них поступают на нее запросы [52].
Современные фотограмметрические системы
С быстрым развитием современных съемочных спутниковых систем в фотограмметрическом производстве стали постоянно использовать высококачественные сканерные снимки. Сейчас они уже используются по всему миру. Из-за этого возникла необходимость усовершенствования средств и методов для обработки этих снимков при создании топографических карт.
В разных странах мира цифровая фотограмметрия стала реальностью. Применение цифровых фотограмметрических станций (ЦФС) в практике топографических и кадастровых работ, как для картографических обеспечений, так и для геоинформационных и кадастровых систем постоянно увеличивается.
На сегодняшний день ЦФС постепенно вытесняют на производстве аналитические фотограмметрические системы. Эта тенденция обусловлена более высокой производительностью обработки снимков на цифровых фотограмметрических системах по сравнению с аналитическими, и возможностями автоматизации.
Существенной особенностью большинства фотограмметрических систем является их универсальность, которая заключается в том, что на них можно обрабатывать аэроснимки и космические снимки при выполнении всего комплекса фотограмметрических работ по созданию топографических карт и планов [16], [17].
Общие требования к ЦФС включают такие условия, как строгость алгоритма, максимальная автоматизация процессов обработки, гарантированное решение задачи при наличии теоретической возможности, использование всей геометрической точности исходных изображений, насыщенность алгоритмов логическими операциями контроля полноты и корректности данных и авторская поддержка программных средств.
Кроме технических требований к условиям функционирования цифровых систем есть и технологические- требования, которые определяют перечень функциональных возможностей систем для их эффективной эксплуатации [15], в частности: 1. Автоматическое распознавание и измерение изображений координатных меток, и выполнение внутреннего ориентирования; 2. Автоматическое стереоотождествление и измерение идентичных опорных и фотограмметрических точек перекрывающихся снимков; 3. Автоматическое измерение точек на снимках при построении сетей пространственной фототриангуляции; 4. Автоматическое построение по стереопарам цифровых моделей рельефа; 5. Ортотрансформирование изображений с использованием информации о рельефе, представленной в виде горизонталей, высот отдельных точек в виде регулярной или нерегулярной ЦМР, формирование выходного ортоизображения заданным геометрическим разрешением и автоматическое выравнивание яркостей элементов изображения; 6. Сбор цифровой информации об объектах местности в процессе стерео- и моно векторизации (по эпиполярным снимкам и ортоизображению соответственно) с использованием настраиваемого классификатора, ее редактирование с помощью автоматизированных процедур и представление результатов в распространенных форматах.
Таким образом, цифровая фотограмметрическая система заменяет целый комплекс фотограмметрических приборов, применявшихся ранее для выполнения перечисленных процессов: стереокомпараторы, универсальные стереофотограмметрические приборы и фототрансформаторы.
Направление создания цифровых фотограмметрических систем связано с решением задач фотограмметрической обработки в рамках одной рабочей станции, с помощью центрального процессора и специализированных вычислительных устройств (акселератов, процессоров), которое было реализовано в цифровых стереофотограмметрических системах DSP 1 (Kern, Швейцария), Image Station System (Intergraph, США) и др. [73].
Другое направление создания цифровой фотограмметрической рабочей станции ориентировано на использование унифицированных аппаратных средств и функционального переносного программного обеспечения. Такие принципы были использованы разными фирмами при разработке своих цифровых фотограмметрических станций DPW (Leica), DVP (Лавальский университет Канада) и др. [74], [21].
В настоящее время на мировом рынке картографической продукции, имеется достаточно большое число цифровых фотограмметрических систем, из которых наибольшее распространение в специализированных предприятиях получили системы ImageStation, DVP, HELAVA, PHOTOMOD, Дельта, ТАЛКА и др.[18], [19], [20]. В таб. 2.3, 2.4, 2.5 и 2.6 приведены разные цифровые фотограмметрические системы и их характеристики.
Экспериментальное исследование технологии создания и обновления топографических карт на территории Мексики по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков
В предложенной технологии автором в результате фотограмметрической обработки аэрофотоснимков определяются координаты и высоты точек, которые используются в качестве опорных точек при обработке космических сканерных снимков, а также строятся цифровые модели рельефа, которые в дальнейшем используют при выполнении цифрового трансформирования сканерных снимков.
С целью экспериментальной проверки предложенной технологии по сканерным снимкам, полученным космическим съемочным системам Spot-5 и Ikonos было произведено построение цифровых фотопланов и оценка их точности [3]. Цифровые фотопланы были созданы по фрагментам панхроматических изображений, полученных космическими сканерными съемочными системами Spot-5 и Ikonos с размером пикселя соответственно 5м и 1м. Снимок Spot-5 был получен 01.03.04 г. с углом отклонения от вертикали, равным 14,9, а снимок Ikonos был получен 12.09.03 г. с углом отклонения от вертикали, равным 13,0. ( На фрагменте снимка, полученного съемочной системой Spot-5, общей площадью 380,3 км изображен участок тихоокеанского побережья Мексики, расположенного в штате Синалоа. Перепад высот рельефа местности на этом участке составляет 250 м. На фрагменте снимка, полученного съемочной системой Ikonos, площадью 50,2 км2 изображен плоскоравнинный участок тихоокеанского побережья с перепадом высот Зм.
В качестве исходных материалов для выбора и определения координат опорных точек, а также создания цифровых моделей рельефа были использованы аэрофотоснимки масштаба 1:75 000, полученные аэрофотоапаратом LMK с fk = 152мм 31.01.1994 г. и 01.02.1994 г.
Цифровые аэрофотоснимки с размером пикселя 14 мкм, а также координаты и абрисы опорных точек были получены из архивов Национального Института Статистики, Географии и Информатики Мексики. Для выполнения работ по фотограмметрической обработке аэрокосмических снимков использовалась цифровая фотограмметрическая система Photomod, версия 3.7, разработанная российской фирмой Ракурс. ЦФС Photomod содержит комплекс программных модулей служащие для всех фотограмметрических работ при создании топографических карт: для создания и управления проектов; для выполнения работ по построению и уравниванием сетей фототриангуляции; для построения цифровой модели рельефа; для векторизации; для построения ортофотопланов; для создания и вывода на печать цифровых карт [41].
С помощью модуля Photomod Montage Desktop было создан проект типа центральной проекции с аэрофотоснимками. Репродукция накидного монтажа аэрофотоснимков приведена на рис. 3.2.
Затем по триплетам аэрофотоснимков были построены сети маршрутной фототриангуляции, схема которой представлена на рис. 3.3. При построении сети были измерены точки служащие для построения независимых моделей и связующие точки, расположенные в зонах тройного перекрытия аэрофотоснимков и в межмаршрутном перекрытии, служащие для объединения независимых моделей в блочную сеть фототриангуляции.
Затем по стереопарам снимков был произведен выбор и определение координат и высот контурных точек, четко и однозначно опознающихся на аэрофотоснимках и сканерных снимках. Эти точки в дальнейшем соответственно использовались в качестве опорных точек при внешнем ориентировании сканерных снимков.
После уравнивания сети, было проведено контроль построения сетей пространственной фототриангуляции, которая характеризуются средними расхождениями координат на опорных точках и на связующих точках в зонах тройного перекрытия снимках и зонах межмаршрутного перекрытия.
Похожие диссертации на Разработка и исследование фотограмметрической технологии создания и обновления топографических карт на территорию Мексики по космическим сканерным снимкам с использованием архивных мелкомасштабных аэрофотоснимков
