Содержание к диссертации
Введение
1. Концепция создания цифровой интегрированной системы, разработка ее архитектуры и требований к основным функциональным модулям 13
1.1 Развитие и интеграция методов дистанционного зондирования, обработки изображений и ГИС, задачи исследований 13
1.2 Концепция построения цифровой интегрированной системы 26
1.3 Архитектура цифровой интегрированной системы 27
2. Теоретические и экспериментальные исследования по оптимизации исходной информации 55
2.1 Исследование влияния формата кадра съемочной системы на технико-экономические показатели процессов создания и обновления информации о местности 56
2.2 Обоснование требований к аэросъемочной камере 79
2.3 Исследования измерительных и изобразительных свойств аэрофотокамер с компенсацией сдвига изображения 85
2.4 Обоснование оптимального геометрического разрешения изображений, обрабатываемых на цифровой системе 93
3. Теория и алгоритмы фотограмметричской обработки цифровых изображений 105
3.1 Алгоритм подготовки исходной информации и внутреннего ориентирования изображений 105
3.2 Алгоритм взаимного ориентирования изображений и построения стереоскопической модели
3.3 Алгоритм внешнего ориентирования снимков и построения геометрической модели местности 119
3.4 Алгоритм определения пространственных координат объектов, сбора (обновления) цифровой информации по геометрической модели и ортотрансформирования цифровых изображений 135
4. Разработка методов и технологий получения и обновления цифровой информации о местности по материалам аэрокосмической съемки . 147
4.1 Технологические схемы получения и обновления цифровой информации о местности. Состав технологических процессов и рабочих мест 147
4.2 Метод и технология топографического мониторинга 174
4.3 Метод и технология обновления топографических карт и планов по растровым копиям оригиналов без их предварительной векторизации 184
5. Результаты разработки и внедрения цифровой системы 191
5.1. Аппаратно-программная реализация цифровой системы, ее технические и эксплуатационные характеристики 191
5.2. Результаты внедрения разработанных аппаратно-программных средств, методов и технологий в производство. Практические рекомендации на основе внедрения результатов работ 207
5.3 Экономическая эффективность разработанных методов и технологий 215
6. Цифровая обработка аэрокосмической информации для решения задач транспорта 227
6.1 Исходная информация для решения задач железнодорожного транспорта 227
6.2 Сбор и обновление цифровой информации о местности для мониторинга железных дорог на основе данных дистанционного зондирования 233
6.3 Определение местоположения транспортных средств на основе спутниковых систем картографирования и позиционирования 243
Заключение 248
Список использованных документов 252
- Концепция построения цифровой интегрированной системы
- Обоснование требований к аэросъемочной камере
- Алгоритм взаимного ориентирования изображений и построения стереоскопической модели
- Метод и технология топографического мониторинга
Введение к работе
Широкое внедрение вычислительной техники, сопровождаемое быстрым снижением ее стоимости и увеличением мощности и быстродействия, успехи в области создания и использования геоинформационных систем (ГИС) и технологий, а также применение изображений, получаемых цифровыми съемочными системами, обусловили создание и использование цифровых фотограмметрических систем (ЦФС) и рабочих станций. Эти системы широко внедряются в практику работ, что связано с возможностью более полной автоматизации технологических процессов сбора, обновления и использования топографической и тематической информации о местности. В связи с этим интенсивно развиваются и совершенствуются методы цифровой обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ).
Первые цифровые системы обработки изображений появились в 60-х годах. Они базировались на аналитических фотограмметрических приборах и обработка в них выполнялась на основе оцифровки небольших участков аналоговых снимков стереопары. (Это, например, зарубежная система GPM фирмы Gestalt и отечественная «Модель» ЦНИИГАиК [31]). В середине 80-х годов с прогрессом вычислительной техники за рубежом появляются полностью цифровые фотограмметрические приборы.
Одновременно с фотограмметрическими развивались географические информационные системы. Зародившись в середине 60-х годов (CGIS, Канада), они достигают своей коммерческой направленности только в 80-х годах (Arc-Info фирмы ESRI).
При появлении первых ЦФС и ГИС, и те и другие были ориентированы на использование для обработки цифровой информации специальных дорогостоящих вычислителей и операционных систем. Широкая доступность для их разработки и использования стала возможной только с бурным развитием и
7 массовым внедрением персональных компьютеров. В нашей стране этот этап
начинается с середины 90-х годов.
Следует отметить, что в области цифровой фотограмметрической обработки аэрокосмической информации активно и плодотворно трудились и продолжают работать десятки отечественных ученых и специалистов. Нынешний уровень развития методов аналитической и цифровой фотограмметрии - это тот результат, в достижение которого внесли свой вклад такие известные специалисты, как С.В.Агапов [2], В.Н.Адров [3], В.Г.Аковецкий [4], И.Т.Антипов [9], Г.В.Барабин [12], В.С.Бирюков [14], Л.В.Быков [56], А.П.Гук [29], В.Б.Дуби-новский [32], Г.А.Зотов [6], С.Ю.Желтов [33], И.Г.Журкин [55], Ю.П.Киенко [46], Ю.Ф.Книжников [47,48], М.Д.Коншин [50], А.Н.Лобанов [55], Б.К.Ма-лявский [56], А.П.Михайлов [60], В.А.Мышляев [61], Б.А.Новаковский [94], В.В.Погорелов [101], Б.Н.Родионов [102], Д.В.Тюкавкин [ПО], Ю.С.Тюфлин [111,112], В.Ф.Чекалин [117,118], А.Г.Чибуничев [119,120], И.Г.Чугреев [121,122] и др. Аналогично в области геоинформационных систем и технологий широко известны работы таких специалистов, как В.Н.Александров [5], А.М.Берлянт [13], В.В.Глушков [19], А.Д.Иванников [40,41], В.А.Коугия [53,59], В.П.Кулагин [40,41], С.И.Матвеев [53,58,59], А.И.Мартыненко [57], В.П.Савиных [108], В.С.Тикунов [51], А.Н.Тихонов [40,41], В.Я.Цветков [53,59,108] и др.
На начальной стадии своего развития системы обработки изображения и ГИС развивались независимо друг от друга. Осуществлялось накопление информации на основе систем, базирующихся на картографических источниках, геодезических данных, обработки изображений, которые были разделены и технологически и информационно. Этот этап главным образом основывался на обмене данных между системами и являлся ранним уровнем интеграции. Второй этап предполагал выполнение растрово-векторной обработки информации. В этом варианте ГИС и системы обработки изображений размещаются уже на одном компьютере, и обеспечивается одновременный доступ к функциям обеих систем через общий интерфейс при наличии все еще отдельных систем и необ-
8 ходимости обмена данными между этими двумя системами. Проблемы преобразования форматов растровых и векторных данных решаются с использованием программных процедур, что временно обеспечивает выполнение задачи интеграции. Третий этап предполагает полную интеграцию за счет использования единой системы, которая позволяет пользователю обрабатывать данные дистанционного зондирования и векторные данные одновременно, реализуя все функциональные возможности ГИС и обработки изображений без необходимости преобразования данных между системами. Хотя такой подход был предложен примерно десятилетие назад, но даже при всем прогрессе вычислительной техники, методов обработки изображений и ГИС его реализация еще далека от практического завершения.
Таким образом, актуальной проблемой является создание интегрированной системы, включающей возможности цифровой фотограмметрической обработки изображений, картографической системы и ГИС.
Процесс использования аэрокосмических материалов тесно связан с совершенствованием средств получения данных ДЗ, которое характеризуется повышением измерительных и изобразительных характеристик изображений, использованием бортовых данных определения элементов внешнего ориентирования съемочных платформ спутниковыми, инерциальными и др. системами. Это, естественно, требует учета при разработке методов обработки изображений и технологий получения цифровой информации о местности (ІДІМ).
Кроме того, вследствие все более интенсивно развивающегося в новом столетии общества, антропогенные изменения и изменения окружающей среды диктуют необходимость новых подходов в разработке методов и технологий оперативной актуализации цифровой информации путем мониторинга состояния местности и приведения этой информации к актуальному состоянию. Этому еще более способствует открытость данных ДЗ высокого разрешения, прогресс Интернет и компьютерных технологий.
Все эти обстоятельства требуется принимать во внимание при разработке цифровой интегрированной системы, методов и технологий ее использования для целей топографического картографирования и транспорта.
С учетом актуальности отмеченных проблем задачами и методами исследований диссертационной работы являлись следующие.
1). Разработка основных принципов и концепции создания цифровой интегрированной системы для целей картографирования, ГИС, решения задач транспорта. Разработка архитектуры системы и требований к ее функциональным модулям.
2). Теоретическое обоснование требований к аналоговой и цифровой аэросъемочным системам для получения исходных изображений и последующей их цифровой обработки. Обоснование оптимального разрешения изображений, обрабатываемых на цифровой фотограмметрической системе.
3). Разработка алгоритмического и математического обеспечения обработки цифровых изображений с учетом современных достижений в части технических средств их получения, измерительных и изобразительных характеристик, использования бортовых данных определения элементов внешнего ориентирования съемочных платформ спутниковыми, инерциальными и др. системами.
4). Разработка методологии создания и обновления ЦИМ на основе цифровой интегрированной системы, структурной и содержательной сущности технологий, требований к их информационному обеспечению.
5) Обобщение результатов теоретических, экспериментальных исследований и практических работ по внедрению аппаратно-программных средств и технологий в производство с рекомендациями по их использованию в форме нормативно-технических документов. Анализ экономической эффективности разработанных методов и технологий.
6) Разработка методов и рекомендаций по получению и практическому использованию цифровой информации для решения задач железнодорожного транспорта.
Конкретные результаты реализации поставленных задач содержатся в последующих главах диссертационной работы.
В первой главе диссертационной работы рассмотрены тенденции развития методов дистанционного зондирования, обработки изображений и геоинформационных технологий и их тесной интеграции. Сделан вывод об актуальности создания интегрированной системы, включающей возможности цифровой фотограмметрической обработки изображений, картографической системы и ГИС. Сформулированы принципы создания цифровой интегрированной системы, предложена ее архитектура и разработаны требования к функциональным модулям такой системы.
Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным аспектам получения исходной информации. Выполнены теоретическое исследование влияния формата кадра аэросъемочной (аналоговой и цифровой) системы на показатели точности и производительности работ, а также экспериментальные исследования измерительных и изобразительных свойств аэрофотоснимков, полученных камерами с компенсацией сдвига изображения. Сформулированы требования к аэрофотосъемочной системе и рекомендации по умельчению масштабов аэрофотосъемки, выполненной аэрофотокамерами с форматом кадра 23x23 см и компенсацией сдвига изображения. Выполнено обоснование оптимального элемента геометрического разрешения цифровых изображений, обрабатываемых на цифровой системе, и предложены формулы для его вычисления при выполнении различных видов работ.
В третьей главе представлено алгоритмическое и математическое обеспечение процессов цифровой обработки фотограмметрической информации и получения ЦИМ. Математическое обеспечение основывается на теоретических зависимостях между координатами точек снимка (стереопары) и местности и определении параметров этой модели. Особенностью теоретического подхода в
разработке алгоритмов и математического обеспечения системы является получение цифровой векторной информации по исходным ^трансформированным изображениям. При этом выполняется трансформирование векторной информации в цифровой снимок (стереопару снимков) центральной или нецентральной проекции. Этот подход исключает как отдельный процесс трансформирование растровых изображений, вследствие чего повышается производительность и ускоряется обработка, исключается необходимость создания и хранения преобразованных изображений.
Четвертая глава посвящена разработке методов и технологий создания и обновления на цифровой интегрированной системе цифровой информации о местности по материалам аэрокосмических съемок. В зависимости от характера снимаемой территории и рельефа, точности, разрешающей способности исходных изображений, формы представления картографических материалов и других условий, предложены различные технологические варианты сбора и обновления ЦИМ, в том числе разработанные метод и технология топографического мониторинга, а также метод и технология обновление топографических карт и планов по растровым копиям оригиналов без их предварительной векторизации. Приведено описание технологических процессов, предложен состав используемых автоматизированных рабочих мест, определены их основные функции и характеристики.
В пятой главе отражены результаты разработок и внедрения цифровых методов и технологий. Приведено описание аппаратно-программных средств, технических и эксплуатационных характеристик цифровой системы, серийно изготавливаемой на основе выполненных под научным руководством автора научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок. Отражаются результаты внедрения разработанных методов и технологий в производство, даются практические рекомендации по их использованию, которые нашли отражение при разработке нормативно-технических документов, ГОСТ, требований к получаемой продукции. Обобщаются результаты практической обработки
12 цифровых изображений и экспериментальных исследований. Выполнен анализ
экономической эффективности разработанных методов и технологий.
Шестая глава посвящена получению и обновлению на цифровой интегрированной системе аэрокосмической информации о местности обзорного, среднего и детального разрешения, позволяющей оперативно решать широкий круг задач железнодорожного транспорта. При этом эффективно интегрируются как технологии обработки информации (фотограмметрические, картографические, геоинформационные), так и исходные данные и выполняется подготовка на этой основе различного вида продукции в качестве основы для решения задач транспорта. Даются рекомендации по практическому использованию исходной информации для решения задач железнодорожного транспорта. Предложен метод определения местоположения транспортных средств на основе спутниковых систем картографирования и позиционирования.
Концепция построения цифровой интегрированной системы
В разработку и создание цифровой интегрированной системы положены следующие основные принципы [71,74,83,85]: 1. Ориентирование на современные теоретические, методические, программные и технологические разработки. 2. Максимально возможное использование готовых технических средств при компоновке системы, модульность компоновки, обеспечивающая за счет изменения состава модулей, образовывать структуру цифровой системы, удовлетворяющую запросам потребителей по видам выполняемых работ и стоимости, а также обеспечивающую увеличение мощности и производительности; 3. Комплексность и системность решения задач (реализация не только фотограмметрических, но и картографических функций и функций информационной системы). Строгие алгоритмы обработки фотограмметрической информации. 4. Максимальная автоматизация выполнения фотограмметрических и картографических процедур, возможность наращивания системы и повышения степени автоматизации и оптимизации фотограмметрических процессов, постепенно переходя от автоматизации менее сложных процессов к автоматизации в последующем более сложных задач. 5. Универсальность системы с целью обеспечения возможности решения широкого круга задач пользователя в отношении: - обработки отсканированных аналоговых изображений и изображений, получаемых непосредственно в цифровом виде; - величины элемента разрешения обрабатываемых цифровых изображений; - обработка наземных, аэро и космических изображений; - обработки снимков центральной, панорамной и сканерной проекций; произвольный формат кадра аналоговых снимков и цифровых сцен; - обработки одиночных и стереоскопических изображений; - способов стереонаблюдения и управления. 6. Экономичность системы за счет использования дешевых персональных компьютеров. 7. Интеграция различных типов исходной информации и интеграция технологий их обработки.
Цифровая интегрированная система должна включать различные виды обеспечения: алгоритмическое, математическое, программное, информационное, аппаратное, организационное и экономическое. Цифровая интегрированная система должна разрабатываться с учетом архитектуры, представленной на рис. 1.2. Она должна содержать следующие основные функциональные блоки: 1. Блок ввода исходной информации. 2. Блок визуализации. 3. Блок управления. 4. Блок обработки информации. 5. Блок базы данных. 6. Блок вывода информации. 7. Блок растровых процедур. 8. Блок фотограмметрических процедур. 9. Блок картографических процедур.
Паспортные данные съемочной системы, которые могут включить в себя: для аналоговых снимков центральной проекции: - паспртные значения элементов внутреннего ориентирования (фокусное расстояние и координаты главной точки снимка); - эталонные координаты или расстояния между координатными метками фотокамеры, либо эталонные координаты сетки крестов; - значения дисторсии объектива съемочной системы. для аналоговых снимков панорамной проекции: - фокусное расстояние съемочной системы; - постоянные величины для учета компенсации сдвига изображения, включающие время экспонирования кадра и длину кадра. для цифровых снимков центральной проекции - фокусное расстояние съемочной системы; - значения дисторсии объектива съемочной системы.
Геодезические пространственные координаты опорных точек, используемые для внешнего ориентирования геометрической модели местности, включающие номер точки, плановые координаты и высоту. При этом должны быть известны также проекция и система координат, в которой задана эта информация. Элементы внешнего ориентирования изображений, получаемые бортовыми системами в процессе съемки: - пространственные координаты центров проекции изображений; - угловые элементы ориентации изображений.
Электронным на базе светозатворных очков с классическим монитором. При этом монитор должен иметь высокую частоту (более 120 Гц). Этот способ более экономичен по сравнению с оптико-механическим, но менее комфортен вследствие большей утомляемости глаз оператора.
Электронным на базе специального стереоэкрана и поляризационных очков. Этот способ наиболее дорогой, но при этом обеспечивает многопользовательский комфортный режим стереонаблюдений. Анаглифическим на базе анаглифических очков с классическим или жидкокристаллическим монитором. Этот способ вследствие низкого качества создаваемого стереоизображения мало пригоден для профессионального использования. Благодаря низкой стоимости способ удобен для обучения и презентаций среди большой аудитории, распечатки стереоизображений. Блок управления.
Обоснование требований к аэросъемочной камере
С учетом мирового опыта, результатов теоретических и экспериментальных исследований, вновь разрабатываемые аэрофотосъемочные камеры должны удовлетворять следующим основным требованиям [68,96,125,126,179]. 1). Использование новых высококачественных объективов, позволяющих получать фотоизображение местности с разрешающей способностью не менее 40 л/мм при относительных отверстиях 1:4,0; 1:5,6; 1:8,0 и 1:11,0 и дисторси-ей не более 3 мкм. 2. Наличие устройства компенсации продольного сдвига изображения (КСИ), реализуемое путем перемещения аэрофотопленки во время ее экспонирования со скоростью перемещения фотоизображения. Технические характеристики КСИ должны полностью компенсировать сдвиг изображения при продольном перекрытии аэрофотоснимков не менее 60%. Система КСИ должна работать от внешних датчиков скорости и высоты полета (радиовысотомер и доп-леровская система), а при их отсутствии от внутреннего датчика. 3). В межлинзовом промежутке объектива должен быть установлен роторный затвор с раздельным приводом лепестков и заслонки, обеспечивающий минимальное искажение интервала съемки, что ограничивает искажение продольного перекрытия не более 5%. 4). Система управления камерой должна обеспечивать получение во внешнюю цепь сигнала, синхронизированного с серединой открытия затвора с точностью 0,3 мс, что позволяет выполнить стыковку со спутниковой системой определения координат центров проектирования снимков, а также определяет стабильность элементов внутреннего ориентирования. 5). Автоматическое регулирование экспозиции (АРЭ) должно обеспечивать получение оптимальной интегральной плотности аэронегативов, осуществляемое путем регулирования времени выдержки при максимальном относи 80 тельном отверстии, а при достижении крайних значений выдержки - путем переключения относительных отверстий. Такой алгоритм работы АРЭ позволяет оптимально использовать короткие выдержки затвора. 6). Управление работой аэрофотокамеры и контроль прохождения цикла съемки должен осуществляться в диалоговом режиме через цифровой пульт управления (ПУ). При этом в зависимости от выбранного режима работа ПУ на дисплее должно отображаться либо установленные параметры аэросъемки, либо данные о корректности работы основных узлов и блоков аэрофотокамеры, и аэрофотокамеры в целом. 7). Кассета аэрофотокамеры с форматом кадра 23x23 см должна быть разделена на две части. В одной части перед выполнением аэросъемки жестко скрепляемой с аэрокамерой, размещаются все силовые и кинематические элементы. Другая (блок контейнеров), представляющая собой раму с двумя контейнерами для катушек с фотопленкой, предназначена для перезарядки аэрофотопленки. 8). На прикладной рамке камеры должно располагаться восемь световых меток, четыре из которых - на середине сторон прикладной рамки - определяют прямоугольную систему координат аэрофотоснимка с ошибкой не более 10 мкм. 9). Оптимальный объем служебной информации должен впечатываться по краям кадра методом бегущей строки при перемотке аэрофотопленки.
С целью перехода на международный стандарт и повышения эффективности и точности создания и обновления топографических карт и планов разра-батано новое поколение топографических аэрофотокамер с форматом кадра 23x23 см. При этом параметры АФА унифицированы с зарубежными не только по формату кадра, но и по углам поля зрения (фокусным расстояниям). В частности, разработаны аэрофотокамеры ТК-15/23 и ТК-21/23, а также техническое задание на ТК-30/23. Основные технические характеристики аэрофотоаппаратов с форматом кадра 23x23 см представлены в табл. 2.7. Таблица 2.7
Как следует из таблицы эти камеры обладают высокими техническими характеристиками в отношении разрешающей способности и дисторсии объектива, выравнивания аэрофотопленки, системы компенсации продольного сдвига изображения, автоматизации регулирования экспозиции, стабилизации камеры и т. д.
При разработке требований к аэрофотокамерам принимался во внимание тот факт, чтобы они позволяли получать аэросъемочную информацию, пригодную для решения широкого круга задач пользователей.
В частности, областью применения широкоугольных камер является создание и обновление цифровой информации о местности для картографирования в масштабах 1:25000 и крупнее, создание фотопланов и фотокарт на плоскоравнинные малозастроенные территории, фотограмметрическое сгущение геодезической сети.
Областью применения камер с нормальным углом поля зрения является создание и обновление цифровой информации о местности на города средней этажности, сельские населенные пункты и промышленные объекты, картографирование всхолмленных, предгорных и заселенных районов, в т.ч. создание фотопланов, фотокарт и геоинформационных систем, решение задач транспорта, городского, сельскохозяйственного, лесного кадастра.
Областью применения узкоугольных камер является создание и обновление цифровой информации о местности для картографирования в масштабах 1:10000 и 1:25000 на горные и высокогорные районы, создания планов на города со средней и многоэтажной застройкой, решения задач транспорта, получение исходной информации для создания городского, сельскохозяйственого и лесного кадастров, получения экологических карт на обширные территории, ГИС различного назначения.
Повышение качества, эффективности и экономичности получаемой исходной информации связано также с совершенствованием технологии аэрофотосъемки [69]. Это может быть достигнуто за счет таких факторов, как: - использование для самолетовождения при аэрофотосъемке навигационной спутниковой системы; - использования для определения координат центров проектирования аэрофотоснимков самолетной геодезической спутниковой системы ГЛОНАСС /GPS; - использования для аэрофотосъемки более экономичных легких носителей. Обоснование основных требований к цифровой аэросъемочной камере. Актуальные исследования в области получения исходной съемочной информации связаны с созданием цифровой аэросъемочной системы. В последние годы наряду с традиционными аналоговыми методами получения изображений (АФА) находят все более широкое распространение цифровые методы получения изображения, которые начинают рассматриваться в качестве альтернативы традиционным технологиям, базирующимся на обработке фотоснимков. Эффективность разработки и использования цифровой съемочной системы определяется новыми возможностями, открываемыми цифровыми методами получения и обработки информации о местности. В связи с этим весьма актуальными являются исследования в этом направлении.
Алгоритм взаимного ориентирования изображений и построения стереоскопической модели
Блок-схема алгоритма взаимного ориентирования снимков стереопары представлена на рис. 3.4. Исходной информацией для обработки являются файлы цифровых изображений снимков стереопары, и параметры их внутреннего ориентирования, полученные на предыдущем этапе. Блок 1 обеспечивает обзор на экране монитора фрагментов цифровых изображений снимков вокруг стандартных зон стереопары и измерение выбранных в этих зонах координат точек путем совмещения со светящимися измерительными марками. При рассматривании фрагментов изображений представляется возможность дискретного изменениях масштаба, контраста, яркости и гаммы-коррекции, перемещение снимков относительно измерительных марок.
Вычисление параметров взаимного ориентирования снимков стереопары и остаточных поперечных параллаксов точек g проекции S,. Ось Х[ совмещена с базисом фотографирования, а ось Z\ установлена в главной базисной плоскости левого снимка. Координаты точки местности, вычисляемые по (3.16), получаются в системе координат XXYXZ[. В общем случае эта система координат не совпадает с фотограмметрической, поэтому в дальнейшем требуется выполнить внешнее ориентирование модели. Блок 4 обеспечивает вывод на экран таблицы номеров измеренных точек с их остаточными поперечными параллаксами и ср. кв. погрешности параллаксов для анализа результатов и принятия решения оператором о завершении процесса взаимного ориентирования. Блок 5 проверяет выход из блока 4. Блок 6 позволяет интерактивно исключать и включать ранее исключенные измеренные точки стереопары из состава обрабатываемых. Блок 7 обеспечивает переход либо к повторным измерениям точек (блок 1), либо к повторным вычислениям (блок 3). Блок 8 обеспечивает переход к вычислению эпиполярных снимков. Для нормального случая съемки таких вычислений не требуется, так как это увеличивает время обработки и искажает реальное изображение. Однако в ряде случаев, например, некачественная аэросъемка с недопустимыми углами наклона или разворота, наклонная съемка фасада здания и т.п. эпиполярные снимки необходимы. Блок 9 выполняет трансформирование координат пикселей исходных цифровых изображений стереопары с получением новых эпиполярных цифровых снимков.
Исходной информацией для обработки являются цифровые изображения снимков, параметры внутреннего ориентирования, и каталог координат опорных точек в местной системе координат или системе координат Гаусса-Крюгера. При наличии бортовых определений элементов внешнего ориентирования последние могут включаться в процесс обработки. Блок 2 проверяет выход из блока 1, если измерено не менее 3-х опорных точек на снимок центральной проекции, не менее 4-х для снимка панорамной проекции. Блок 3 выполняет вычисление параметров внешнего ориентирования снимка и остаточных искажений пространственных координат измеренных опорных точек с оценкой точности на основании приведенных ниже зависимостей.
Точные значения параметров внешнего ориентирования определяются по способу наименьших квадратов с оценкой точности, решая 2п уравнений с 6 и 8 неизвестными соответственно для снимков центральной и панорамной проекции.
Так как почти все частные производные в матрице А и свободные члены в столбце L, являются функциями определяемых параметров и неизвестны, то вычислить сразу точные их значения, соответствующие решению системы, не представляется возможным. Поэтому используется процесс последовательных приближений. Для того, чтобы этот процесс был сходящимся, необходимо задать начальные приближенные значения неизвестных параметров.
Из-за различных ошибок в исходных данных определенные таким образом параметры математической модели будут содержать погрешности, величина которых определяется тензором М. Они в свою очередь приведут к искажениям определяемых координат точек местности. Величину этих искажений можно определить по опорным и контрольным точкам. Блок 1 обеспечивает обзор на экране монитора фрагментов цифровых изображений снимков стереопары вокруг опорных точек и стереоизмерение их координат путем совмещения со светящимися измерительными марками. При наблюдении фрагментов снимков обеспечивается изменение масштаба, яркости, контраста, гаммы изображений, перемещение относительно измерительных марок. Блок 2 проверяет выход из блока 1, если измерено не менее 3 опорных точек на снимок (по крайней мере, две планово-высотные, одна высотная). Блок 3 выполняет вычисление параметров внешнего ориентирования сте-реомодели и остаточных искажений пространственных координат измеренных опорных точек с оценкой точности на основании приведенных ниже зависимостей. Используются два метода определения элементов внешнего ориентирования стереомодели.
Метод и технология топографического мониторинга
Важная роль в поддержании топографо-геодезической информации на современном уровне принадлежит методу топографического мониторинга -непрерывного обновления информации о местности по данным дистанционного зондирования, картографическим материалам специального (отраслевого) назначения, другим источникам информации об объектах местности, подлежащих отображению на топографических и тематических картах и планах [205] (рис. 4.2).
Топографический мониторинг или дежурство происходящих изменений на местности является одним из направлений снижения себестоимости работ при поддержании актуальности информации о местности. Это снижение по сравнению с традиционной технологией обновления, подготовки к изданию и издания топографических карт обеспечивается за счет возможного исключения из технологического цикла аэрофотосъемочных работ, большей целевой направленности полевого обследования местности, изготовления печатной продукции для обеспечения потребителя в виде копий дежурной цифровой информации.
Другим достоинством топографического мониторинга является сокращение сроков доведения актуальной информации о местности до потребителей. Наиболее оправдана такая организация работ на районы интенсивного развития (города, населенные пункты и зоны интенсивного жилищного строительства, участки строительства и эксплуатации железных и автомобильных дорог и ли
Сбор и систематизация материалов (по слоям и масштабам) для мониторинга изменении Аэрокосмо-съемочных Картографических Справочных Составление цифровой картограммы распределения листов дежурных карт и планов на территорию монито- ринга Подготовка материалов для использования: - перевод в цифровую форму; - ориентирование изображений; - установление зоны действия Векторизация графических справочной информации; оригиналов и получение ЦТК - преобразование в форматы (ЦТП) в качестве дежурных СИФ (ГИС) основ V і г Исправление содержания (геометрии, Полевое идентификации и характеристик объектов) обследование ЦТК (ЦТП) по растровой подложке дежурного топографического материала. Внесение отдельных участков изменений в соответствии со справочной информ іацией Передача Оператив- Представле- Оформление и конверти фрагмента де- ный вывод ние ЦИМ в рование ЦТК в изда журной ЦИМ в на плоттер растровых тельские пакеты с целью векторном информации форматах изготовления разделен формате, оп- для пользо- для широкого ных по цветам позитивов ределяемом вателя круга поль- для последующего тира пользователем зователей жирования
Топографический мониторинг позволяет постоянно иметь актуальную информацию, обеспечивать потребителей в дополнение к имеющимся топографическим картам цифровой дежурной информацией и ее графическими копиями. На основе мониторинга полное обновление может выполняться в несколько раз реже, что значительно повышает производительность и снижает стоимость работ.
Топографический мониторинг предполагает учет топографической информации по всем элементам содержания топографических карт и планов (т.е. ведение детальной дежурной топографической информации). Он осуществляется путем сбора и систематизации топографической информации и внесения изменений в содержание дежурной базы данных (создание цифровой базы изменений). Масштаб ведения базы дежурных карт выбирается с учетом физико-географических условий и интенсивности хозяйственной деятельности на картографируемой территории. Исходя из спроса на топографическую информацию, может вестись дежурство базы карт масштабного ряда, например, 1:10000 - 1:50000 - 1:200000. Для территорий городов и других населенных пунктов, трасс железных дорог и линейных сооружений, земель сельскохозяйственного назначения рекомендуется базовый масштаб дежурных карт 1:10000 или 1:25000, для прочих территорий -1:50000-1:100000.
Собираемые современные материалы картографического значения, данных дистанционного зондирования, а также дежурных документов из различных источников концентрируют в справочно-информационном фонде (СИФ).
Для ведения работ по топографическому мониторингу (наполнение, поиск и выдача необходимых материалов) СИФ оснащается средствами вычислительной техники и коммуникации, периферийным оборудованием, аппаратно-программными средствами. Предусматриваются технические и организацион 177 ные меры для получения дежурной топографической информации от различных источников. СИФ обеспечивает прием, хранение, поиск и анализ информации о происходящих на местности изменениях, подлежащих учету в базе дежурных топографических планах и карт.
Источниками информации об изменениях на местности, а также о выполняемых различными ведомствами и организациями работах, результаты которых могут быть использованы при мониторинге, являются: - органы Государственного геодезического надзора; - законодательные и нормативные акты органов государственной власти и местного самоуправления; - средства массовой информации; - юридические и физические лица. Организация обновления информации о местности методом постоянного мониторинга изменений предполагает: 1) постоянный планомерный сбор и систематизацию как сведений, так и самих материалов, содержащих новую информацию о состоянии местности (в первую очередь новые карты и планы, ведомственные материалы картографи ческого значения, изготовленные после создания обновляемых листов карт, ма териалы различных видов аэрокосмической съемки); 2) непрерывное ведение информационной базы детальных дежурных карт, путем внесения в ее содержание всех изменений объектов и элементов местности; 3) изготовление по мере надобности цифровых и графических копий дежурной информации на заданную территорию и в требуемом объектовом составе для потребителей; 4) проведение полного обновления информации, если объем изменений, которые нельзя исправить по собранным ведомственным материалам, превысил допустимую величину. Для ведения СИФ проводится изучение фондов материалов картографического значения организаций в зоне деятельности мониторинга и налажи 178 вают постоянное поступление материалов от них.
Материалы картографического значения открытого пользования в виде оригиналов, их копий, микрофильмов, каталогов, описаний и т.п. поступают по каналам связи (почта, в том числе электронная, телеграф, фототелеграф, факс, телефон, телетайп). Для получения материалов ограниченного пользования проводятся соответствующие организационно-технические мероприятия.
Работа с СИФ проводится с учетом данных о времени, составе, объеме и направлениях передачи информации. С этой целью может быть адаптирована ГИС или база данных, либо разработаны специально с учетом специфики организации и обслуживаемого региона.
Целенаправленный и постоянный сбор дежурной топографической информации из различных источников производится взамен или в дополнение к традиционным способам ее получения (наземные съемки, аэрокосмические съемки, полевое обследование).
