Разработка технологий создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей

Евстратова, Лариса Геннадьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологий создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей
ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологий создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей"

УДК 528.7

На правах рукописи

Евстратова Лариса Геннадьевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВЫХ КАРТ ПО АЭРОКОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ НА ОСНОВЕ МЕТОДА СВОБОДНО ОРИЕНТИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ

25.00.34

Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Гук Александр Петрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Журкин Игорь Георгиевич; кандидат технических наук Белошапкин Михаил Александрович.

Ведущая организация

ФГУП Уральский региональный производственный центр геоинформации

«Уралгеоинформ» (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится «01» июля 2005г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 в Сибирской государственной геодезической академии по адресу: 630108, Новосибирск, 108, ул. Плахотного, 10, СГГА, аудитория 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА. Автореферат разослан « Л » мая 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^^^ Середович В .А.

Подписано в печать 26.05.2005 Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 0,94 Уч.-изд. л. 0,93 Тираж 100 экз. Заказ 70 Гигиеническое заключение № 54.НК.05.953 .П.000147.12.02 от 10.12.2002.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие цифровых методов фотограмметрической обработки снимков обеспечивает создание принципиально новых эффективных технологий, позволяющих получать как стандартные виды продукции -цифровые карты, планы различного назначения, ЦМР, цифровые фотопланы и ортофотопланы, так и принципиально новые виды продукции, например, 3D -реалистичные модели, информацию для оперативного и планового мониторинга и т.д.

Цифровая фотограмметрия основана на объединении двух научных направлений — аналитической фотограмметрии и методов цифровой обработки изображений. Достаточно долгое время эти направления развивались независимо и решали различные задачи. Развитие вычислительной техники позволило объединить эти методы обработки снимков, и в результате появилось новое, быстро развивающееся направление - цифровая фотограмметрия.

Основной вклад в развитие аналитической фотограмметрии внесли советские ученые Лобанов НА, Антипов И.Т., Журкин И.Г., Добрынин Н.Ф., Погорелов В.В., Трунин А.П., Тюфлин Ю.С., и другие, а также зарубежные ученые Brown D.S., Hallert В., Schmid H., Ackerman F., Schut G.H. Значительный вклад в развитие цифровой обработки изображений, ориентированных на решение фотограмметрических задач, внесли российские ученые: Журкин И.Г., Гук А.П., Чибуничев АР., Пяткин ВЛ, Книжников Ю.Ф., Нехин С.С., Зотов ГА и другие, а также зарубежные ученые Helava, Hobronght C.L., Konecny G.

Как известно, основное преимущество цифровых методов фотограмметрической обработки снимков — это их абсолютная гибкость и автоматизация измерений.

Гибкость открывает широкие возможности в создании методик и технологий, рассчитанных на решение конкретных задач и получение новых видов продукции. При этом "специализированные" методы позволяют решить конкретную задачу с меньшими затратами, получить результат быстрее и с более высокой точностью, чем при использовании стандартных технологий.

метод разрабатывался и другими авторами (Чибуничев А.Г., Ли Чжун Хва, Козориз М. Д. и др.), разработанные в данной работе технологии существенно отличаются от других.

Степень разработанности проблемы. Предложенный автором метод свободно ориентированных моделей доведен до практической реализации. Технология, основанная на этом методе, используется при выполнении производственных работ. Теоретические выводы, полученные в результате исследования изменения точности фотограмметрических данных, позволяют по-новому организовать хранение данных в ГИС.

Цель и задачи исследования. Цель диссертации состоит в разработке технологий создания карт фотограмметрическим методом, сокращающих цикл выполнения работ и обеспечивающих создание новых видов фотограмметрической продукции, более полно удовлетворяющей интересам заказчика.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- выполнить анализ современных технологий создания карт и выявить "узкие" места технологии, изменив которые можно повысить эффективность технологии;

- определить новые требования, предъявляемые заказчиками к картам и пространственной информации в связи с появлением ГИС и развитием новых информационных технологий;

- исследовать метрические свойства цифрового изображения и разработать структурную модель влияния ошибок на точность фотограмметрических построений;

- разработать технологию создания карт различного масштаба по снимкам одного залета и технологию создания карт с переменной точностью;

- разработать методику привязки космических снимков высокого и среднего разрешения для оперативного обновления информации в ГИС.

Объект и предмет исследования. Объект исследования - методы цифровой фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков. Предмет исследования — технология создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам.

использованием частотного подхода анализа изображений, а оценка точности измерений выполнялась в соответствии с положениями теории вероятности.

Информационная база исследования. Исходным материалом для разработки технологии являются космические снимки высокого и среднего разрешения, цифровые аэрофотоснимки и цифровые карты, опорные геодезические данные. Также базой для выполнения работ являются выполненные ранее исследования в области аналитической и цифровой фотограмметрии.

Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в том, что обоснованы основные понятия метрической точности цифровых снимков и предложены технологии создания цифровых карт, позволяющие полностью реализовать метрические возможности цифровых снимков, создавать карты различных масштабов по снимкам единого залета и получать, кроме стандартных, новый вид продукции (карты переменного масштаба), оперативно обновлять информацию в ГИС по космическим снимкам высокого и среднего разрешения.

На защиту выносятся:

- структурная модель влияния ошибок на точность получения результатов на каждом этапе фотограмметрической обработке измерений;

- технология создания цифровых карт разных масштабов по снимкам одного залета на основе метода свободно ориентированных моделей и технология создания разномасштабных карт;

-методика привязки космических снимков высокого и среднего разрешения по аэрофотоснимкам на основе метода свободно ориентированных моделей.

Теоретическая значимость. Выполненные в диссертационной работе теоретические исследования позволили обосновать необходимость хранения фотограмметрических данных, полученных на определенных этапах обработки, что дает возможность регулировать точность результатов фотограмметрической обработки. Доказана эффективность применения метода свободно ориентированных моделей при решении определенного круга фотограмметрических задач.

Практическая значимость. Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные методика и технологии доведены до практического использования и применяются при создании карт нефтегазовых месторождений. Разработанные технологии показали более высокую эффективность, чем стандартные, при создания карт разных масштабов.

Основные результаты исследования:

- разработана структурная модель изменения точности на каждом этапе фотограмметрической обработки снимков;

- разработана технология создания карт различных масштабов по снимкам единого залета и технология создания карт переменного масштаба;

- предложена методика привязки космических, снимков высокого и среднего разрешения для оперативного обновления информации в ГИС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение: на научно-технической конференции, посвященной 60-летию кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, СГГА 9-11 декабря 2003 г; на региональной научно-практической конференции с международным участием, посвященной 85-летию Роскартографии и 30-летию кафедры инженерной геодезии и картографии ИрГТУ, 12-13 марта 2004г., г. Иркутск; на иГУ научно-технической конференции, посвященной 225-летию геодезического образования в России, 19-23 апреля 2004г., г. Новосибирск; на научно-практической конференции "Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий - устойчивое развитие Сибирского региона", г. Новосибирск, 15 сентября 2004г; на научно-технической конференции "Геоинформационные технологии для решения задач управления рисками и кризисными ситуациями", г. Екатеринбург, Уралгеоинформ, 29-30 июня 2004; на международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиКа, Москва, 2004; на международном научном конгрессе « ГЕ0-Сибирь-2005», 25-29 апреля 2005 г., г. Новосибирск.

Основные положения диссертации опубликованы в семи научно -технических работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, содержащего 132 наименований, приложений. Общий объем составляет 129 страниц печатного текста, 17 рисунков, 7 таблиц.

Введение

1 Современное состояние методов фотограмметрической обработки снимков

1.1 Технологии создания карт, основанные на аналоговых и аналитических методах фотограмметрии

1.2 Цифровые фотограмметрические технологии создания цифровых карт и ортофотопланов

1.3 Космические снимки высокого и среднего разрешения

1.4 ГИС и мониторинг поверхности по материалам аэрокосмических съемок.

2 Исследование влияния ошибок снимков на точность получения результата на различных этапах фотограмметрической обработки

2.1 Измерение координат точек по цифровым снимкам.

2.2 Анализ ошибок цифровых снимков

2.3 Структурная модель изменения точности в процессе фотограмметрической обработки измерений

3 Разработка технологии создания цифровых карт по аэрофотоснимкам с использованием метода свободно ориентированных моделей

3.1 Сущность метода свободно ориентированных моделей

3.2 Разработка технологии создания карт различного масштаба по снимкам одного масштаба на основе метода свободно ориентированных моделей

3.3 Мониторинг поверхности и карты переменного масштаба

3.4 Фотограмметрическая обработка космических снимков среднего и высокого разрешения с использованием свободно ориентированных моделей, построенных по аэрофотоснимкам

4 Экспериментальные работы по исследованию предложенных технологий

4.1 Анализ объектного состава крупномасштабных карт

4.2 Исследования точности метода свободно ориентированных моделей, построенных по аэрофотоснимкам

4.3 Исследования точности визирования на точки цифровых снимков.

4.4 Проверка работоспособности методики привязки космических снимков по аэрофотоснимкам на основе метода свободно ориентированных моделей

Заключение

Список используемых источников

Приложения

В первом разделе рассмотрены фотограмметрические технологии и последние достижения в области получения и обработки снимков: космические съемочные системы высокого разрешения, цифровые фотограмметрические технологии; структура ГИС для постоянного и оперативного мониторинга.

Намечены пути совершенствования технологий на основе использования новых методов, технических и программных средств.

Во втором разделе исследуются некоторые вопросы структуры фотограмметрических данных в ГИС, подчеркивается необходимость ввести точностные характеристики для метрической информации, хранящейся в ГИС. Рассмотрены основные виды ошибок цифровых снимков и точность измерений по цифровому изображению. Основное внимание уделяется изменению точности в процессе фотограмметрической обработки. Введено понятие — "внутренняя метрическая точность изображения".

Под внутренней метрической точностью изображения будем понимать измерительные свойства снимков, характеризуемые остаточными ошибками, вызванными расхождениями между истинными координатами точек на снимках и координатами, вычисленными в соответствии с математической моделью, выбранной для описания снимков:

Лх,у) = \\Ъ{х,у)-Р2(х,у)\\, (1)

где - функция, описывающая истинное положение точек на

снимке;

Рг {х,у) - вычисленные значения координат, определяющих положения точек на снимке в соответствии с выбранной математической моделью.

Таким образом, внутренняя метрическая точность снимков зависит как от свойств самого изображения, так и от математической модели, используемой для его описания и последующей фотограмметрической обработки.

Фотограмметрическая обработка снимков основана на допущении, что снимок - центральная проекция. Однако реальный снимок отличается от центральной проекции вследствии ошибок снимка: дисторсии, деформации фотопленки, клиновидности светофильтра, рефракции. Если при обработке снимков использовать математическую модель центральной проекции, то все отклонения от принятой модели будут вносить ошибки в результаты обработки. Так, аналоговые методы фотограмметрической обработки практически не имели возможности исключить влияния этих ошибок (можно было их лишь частично уменьшить за счет масштабных преобразований), и соответственно внутренняя метрическая точность изображений соответствовала величине отклонений в положении точек на снимках от центральной проекции. Аналитическая фотограмметрия позволила создать более детальную математическую модель изображения, учитывающую систематические искажения, что обеспечило повышение точности измерений по снимкам и соответственно повысит внутреннюю метрическую точность.

Введем также понятие предельная внутренняя метрическая точность изображения, которая характеризуется случайными ошибками в положении точек на снимках, которые не могут быть исключены за счет выбора той или иной модели описания снимков. Аналогично определим внутреннюю метрическую точность модели и свободно ориентированной сети. Теоретически точность фотограмметрических построений должна приближаться к

предельной внутренней метрической точности снимков. Технологии, предложенные в данной работе, как раз и направлены на получение точности фотограмметрической обработки данных, приближенной к внутренней метрической точности снимков.

При фотограмметрической обработке аналитическим и цифровым методами можно выделить три типа используемых математических моделей:

1. Модель измерений (координат точек на снимках, координат точек моделей).

2. Модели решения обратных задач для определения параметров модели вп, описывающей соответствующий этап обработки:

где п - число параметров;

Х1,...,Хк — векторы измерений.

В большинстве случаев исходная система уравнения не линейная, что приводит к необходимости решать эти уравнения каким-либо итерационным методом, сводя исходные уравнения к линейным.

Решение систем линейных уравнений выполняется по методу наименьших квадратов.

Решение систем линейных уравнений вносит ошибки в определенные параметры за счет ошибок исходных данных.

Предельная величина ошибок в определении неизвестных может быть некоторым образом оценена с помощью числа обусловленности:

где - обратная матрица; - норма.

3. Модели вычислений (решение прямых задач), выполняющих преобразования координат или цифровых изображений. На рисунке 1 показана схема изменения точности на каждом из этапов фотограмметрической обработки.

¥ = {0„,Х,,...,Хк) = О,

(2)

сопс!А -ПАП-НА'Ч/,

(3)

систематические исходный

ошибки цифровой снимок

калибровка снимков

система тические ошибки * ошибки внутреннего ориентирования внутреннее ориентирование снимков

система тические ошибки + ошибки внутреннего

ориентирования * ошибки визирования

остаточные ошибки + ошибки внутреннего

ориентирования + ошибки визирования

остаточные ошибки снимка + ошибки внутреннего

ориентирования + ошибки определения элементов взаимного ориентирования

остаточные ошибки снимка + ошибки внутреннего ориентирования * ошибки взаимного

ориентирования+ ошибки наблюдении

измерения координат точек на снимках

исправленные координаты точек снимка

определение элементов взаимного ориентирования снимков

вычисление пространственных координат точек модели

х„ у „г.

сбор информации по свободной модели

построение маршрутной модели

в свободной системе координат

-определение элементов внутреннего ' ориентирования -решение системы линеиных уравнений помнк

учет поправок калибровки

роз

решение нелинейных уравнений методом ньютона и линейных уравнений

помнк

роз

подсоединение

моделей. решение систем уравнений по имн

имнк

повышение точности

- понижение точности

РОЗ - решение обратной задачи

Рисунок 1 - Схема изменения точности на каждом из этапов фотограмметрической обработки.

внешнее ориентирование модели

вычисление геодезических координат опорных точек по координатам Х„ у„ 2.

остаточные ошибки сети

исключение деформации

информация, собранная по снимкам

уровень точности

информация. собранная ' по снимкам

уровень точности II

" повышение точности

Рисунок 1,лист 2

РОЗ

РЕШЕНИЕ СИСТЕМЫ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ПОИМН И МНК

РОЗ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ

полиномов по МНК

ИНФОРМАЦИЯ, СОБРАННАЯ ПО СНИМКАМ

, ров£! ь V«*

ИНФОРМАЦИЯ, СОБРАННАЯ ПО СНИМКАМ

ПРЕДЕЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ТОЧНОСТИ

понижение точности РОЗ - решение обратной задачи

Анализируя структурную схему (рисунок 1), можно сделать выводы:

- внутренняя метрическая точность фотограмметрической информации (измерения или изображения) изменяется в зависимости от стадии фотограмметрической обработки;

- существуют этапы, на которых можно повысить точность обрабатываемой информации путем использования дополнительных данных (дополнительных измерений, элементов внешнего ориентирования, определенных в полете, результатов калибровки и т.д.) или путем уточнения математической обработки данных (расширения детальности описания, сокращения или увеличения числа параметров);

- также можно выделить этапы, на которых точность данных, полученных в результате обработки, уже нельзя изменить, не выполняя заново предыдущие процессы обработки;

- целесообразно сохранять данные на определенных уровнях обработки, которые являются "поворотными" в плане изменения точности;

- результирующая точность фотограмметрической обработки снимков определяется количеством и расположением опорных точек в процессе внешнего ориентирования модели. Таким образом, точность результатов фотограмметрической обработки можно изменять путем изменения количества и расположения опорных точек, то есть возможно управлять процессом обеспечения точности. Однако, точность результата не может быть выше внутренней метрической точности, определяемой соотношением (1);

- при определении параметров модели фотограмметрической обработки снимков необходимо решать системы линейных уравнений, причем в результате решения могут быть внесены существенные ошибки, предельные значения которых определяются величиной обусловленности системы.

В третьем разделе описан предложенный автором метод свободно ориентированных моделей.

Сущность метода заключается в следующем. Производятся следующие фотограмметрические процессы:

- для одиночных снимков - внутреннее ориентирование;

- для стереопар снимков — внутреннее и взаимное ориентирование снимков;

- для маршрутной или блочной сети снимков - внутреннее, взаимное ориентирование снимков; подсоединение моделей и формирование маршрутной или блочной сети в свободной системе координат. Выполняются необходимые измерения координат точек на снимках, рисовка контуров и измерения для построения ЦМР.

Таким образом, измерения координат точек снимков (для одиночного снимка) и координат точек модели (для стереопар снимков) выполняются в свободной системе координат. Сбор всех необходимых данных для построения карт (отдельные точки, контурная часть и рельеф), а также разделение по слоям и редактирование информации также осуществляется в свободной фотограмметрической системе координат. В таком виде записывается и хранится вся информация, собранная для последующего создания карт или построения модели местности в геодезической системе координат.

Технологическая схема создания цифровых карт по методу свободно ориентированных моделей представлена на рисунке 2.

Задача создания карт разных масштабов по снимкам одного залета возникает при последовательном картографировании объектов, когда сначала создаются обзорные карты, затем более детальные и точные. Это характерно для нефтегазовой промышленности, где требуется создание карт масштаба 1:10000, 1:5000, 1:2000 и 1:500. Конечно, можно создавать карты, выполняя аэрофотосъемку соответствующего масштаба и обеспечивающую точность только заданного масштаба, однако, материалы этой аэрофотосъемки нельзя будет использовать для создания карт более крупного масштаба, хотя для данного масштаба она будет наиболее экономичной. С другой стороны, если в дальнейшем создавать карты более крупного масштаба, то лучше выполнить аэрофотосъемку в масштабе, обеспечивающем весь масштабный ряд. Так, съемка в масштабе позволит обеспечить точность создания карты до

масштаба Кроме того, применяя метод свободно ориентированных

моделей, можно сократить объем камеральных работ, т.к. контуры и рельеф, полученные для карт более мелкого масштаба, можно использовать при создании карт более крупного масштаба. Технологическая схема создания карт разных масштабов по снимкам одного залета, основанная на методе свободно ориентированных моделей, представлена на рисунке 3.

Картой переменного масштаба, или моделью местности переменного масштаба будем называть карту, имеющую различную точность и детальность в различных участках местности или объекта.

Рисунок 2 - Технологическая схема создания цифровых карт на основе метода свободно ориентированных моделей

Рисунок 3 - Технологическая схема создания карт различных масштабов по снимкам единого залета

Возможны по крайне мере две ситуации, в которых целесообразно создавать модели или карты переменного масштаба.

Первый вариант - когда требуется создать детальную карту в крупном масштабе лишь на отдельные объекты, а на остальную территорию достаточно иметь лишь общее представление, т.е. требуются карты более мелкого масштаба. Например, при создании карт кадастра нефтеразработок требуется создание карт нескольких уровней - детального на кусты скважин,

средней детальности на коридоры нефтепроводов (масштаб и,

наконец, обзорной карты на всю территорию нефтеразработок (масштаба 1:10000).

Другой случай, когда требуется создать модель и карты переменной точности — организация мониторинга различного вида (постоянный, оперативный) и различного назначения (региональный, локальный, объектный).

Пусть выполняется постоянный мониторинг за состоянием некоторой территории или объекта. Для осуществления мониторинга производятся периодические съемки объекта и составляются карты с заданной точностью и детальностью или формируются соответствующие модели объектов или территорий.

Технологию создания карт и моделей переменного масштаба целесообразно применять:

- когда отдельные детали или участки объекта должны быть исследованы более детально;

- при чрезвычайных ситуациях, если требуется более пристальное внимание именно к отдельному участку объекта и соответственно необходимо создать более детальную и точную модель этого участка.

При создании карт переменной точности целесообразно использовать метод свободно ориентированных моделей. В этом случае сбор информации осуществляется по моделям, построенным в свободной системе координат. Внешнее ориентирование полученных данных, то есть перевычисление в геодезическую систему координат, осуществляется по опорным точкам, точность, количество и расположение которых выбирается в соответствии с заданной точностью отображения каждого участка. На рисунке 4 показана схема расположения опорных точек для создания карт переменной точности.

Рисунок 4 - Схема расположения опорных точек для создания карт переменной точности

Заметим, что собранные контуры, имеющие, например, точность уровня могут быть легко переведены на любой другой уровень точности путем выбора соответствующих опорных точек и выполнения геодезического ориентирования данных, собранных в свободной системе координат.

Сначала на весь объект создается картографическая основа наиболее мелкого масштаба в свободной системе координат.. Затем последовательно выполняются рисовка контуров и рельефа на те участки объекта, которые требуется отобразить более детально и в более крупном масштабе. Контуры, которые уже были отображены в более мелком масштабе, используются и для более крупного, если не происходит принципиального изменения способа отображения контура или линии.

Координаты опорных точек нужно определять с точностью, обеспечивающей наиболее крупный масштаб. Количество опорных точек также должно быть выбрано таким образом, чтобы можно было при необходимости повысить точность определения координат контуров и точек по снимкам. Технологическая схема создания разномасштабных карт приведена на рисунке 5.

Некоторые сложности создания карт переменного масштаба возникают при редактировании; это проявляется, когда требуется соединить линии и контуры, по-разному отображающиеся на картах различных масштабов.

Сканирование снимков

Фототриангуляция в свободной системе координат

Внешнее ориентирование

собранных данных в соответствии с точностью разномасштабной карты

Деление всего участка на зоны в соответствии с необходимой точностью

Сбор информации по свободно ориентированным моделям в соответствии с

требованием каждого участка разномасштабной карты

Редактирование и оценка точности разномасштабной цифровой карты

Изготовление увеличенных изображений снимков на твердой основе

Планово-высотная привязка снимков, обеспечивающая точность определения координат для самого крупного масштаба

Дешифрирование снимков

Сбор данных для повышения детальности и точности выбранного

участка разномасштабной карты

Анализ данных и выводы

Рисунок 5 - Технологическая схема создания разномасштабных карт

Следующая задача, решаемая на основе метода свободно ориентированных моделей - задача привязки и трансформирования космических снимков в заданную проекцию.

Привязка космических снимков традиционно осуществляется по картам более крупного, чем космические снимки, масштаба. Необходимо выполнить идентификацию точек на карте и на космических снимках.

Привязка космических снимков по карте является весьма сложной и неоднозначно решаемой задачей, т.к. достаточно сложно опознать на карте и космическом снимке соответствующие точки. Это объясняется тем, что карты

обычно «старее» снимков, объекты изменились, появились новые контуры, и способ отображения объектов на карте отличается от изображения объектов на космических снимках. Особенно много проблем возникает при привязке космических снимков высокого разрешения (0.8-5 м).

Использование аэрофотоснимков существенно упрощает задачу привязки космических снимков, так как на изображениях можно найти гораздо больше соответствующих точек, чем на космических снимках и карте. Практически всегда на обновляемую территорию имеются аэрофотоснимки различных залетов. Однако процесс полной фотограмметрической обработки снимков является достаточно сложной задачей, требующей значительных затрат времени. Большую часть времени отнимает внешнее ориентирование маршрутной (блочной) модели. Предлагаемая методика не требует выполнения полного геодезического ориентирования модели.

Выполненный в диссертации анализ точности свободно ориентированной сети показал, что точность определения координат точек местности после частичного внешнего ориентирования будет достаточна для привязки космических снимков. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Количество базисов п= 5 к=10

СКО определения остаточного поперечного параллакса, мм тч= 0,005 шч = 0,005

Фокусное расстояние, мм /=100 /= 100

Масштаб снимков 1:10 000 1:25 000 1:10 000 1:25 000

тх, м 0,6 1,5 1,7 4,2

ту, м 0,4 0,9 1,1 3,1

тг, м 0,7 0,7 2,0 2,0

Из таблицы 1 видно, что при можно (масштаб снимков данным методом выполнить привязку космических снимков с разрешением до - космических снимков с разрешением не более Предлагаемая методика привязки заключается в следующем. На рисунке 6 показана взаимосвязь между точками космического снимка, сети аэрофотоснимков и местности.

Рисунок 6 - Взаимосвязь координат точек космического снимка, сети аэрофотоснимков и точек местности

Выполняется идентификация соответствующих точек на космических и аэрофотоснимках.

Связь между координатами точек на космическом снимке (хк, ук) и геодезическими координатами Хг,Уг точек обычно устанавливают с помощью полиномов вида:

И I

ХГ = рс (*к <Ук) = соо + £ I сцх~3 у} , /=1>1

Гг=РЦ(Хк>Ук) = Ь00+Т. I Ь„-х' V,

(4)

где Р"(хк,ук), (хк,ук) - полиномы степени и, с коэффициентами сц, Ьг Коэффициенты полиномов определяются путем решения уравнений:

Х-Рс(хк,ук) = Ух; (5)

У-Рь(*к>Ук) = Уг'> (6>

по способу наименьших квадратов, при условии СТ=шщ.

Степень и количество членов полинома, а также структура полинома - то есть члены, имеющие не нулевые коэффициенты, определяются в процессе экспериментальных работ или же непосредственно для данного набора данных — путем регрессионного анализа. Для этого исследуются остаточные расхождения:

ух = X - Рс\хк,ук) Уу-Г-Рьп{хк,ук)

и определяются которые обеспечивают отсутствие

систематических ошибок в и минимизируют

(7)

На практике в ряде случаев, если снимок разделить на небольшие участки, достаточно использовать полиномы степени то есть аффинное

преобразование:

После определения коэффициентов полиномов выполняется построение свободной маршрутной или блочной сети фототриангуляции. Вычисляются координаты запроектированных точек в свободной системе

координат, которые перевычисляются в частично внешне ориентированную

систему координат ХрУ^р. Ориентирование выполняется с использованием операции разворот — сдвиг, при этом необходимо иметь как минимум две опорные точки. Полученные координаты используются в качестве опорных для

привязки космических снимков. Для этого определяют коэффициенты полиномов, решая уравнения (5, 6). Далее выполняется рисовка контуров и измерение отдельных точек по космическим снимкам. Полученная графическая информация перевычисляется в геодезическую систему координат.

Таким образом, рисовку контуров можно осуществлять по космическим снимкам, "привязанным" по свободно ориентированным моделям.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных работ. Выполнен анализ объектного состава крупномасштабных карт и способов отображения объектов посредствам условных знаков

Отметим, что топографические карты различных масштабов отличаются следующими факторами:

- объектным составом, т.е. теми объектами, которые должны быть отображены на карте;

- точностью нанесения объектов на карту, т.е. ошибкой определения координат объекта по карте;

- способом отображения объектов на карте.

В работе был выполнен анализ объектного состава карты для масштабов 1:1000,1:2000,1:5000,1:10000.

Установлено, что объектный состав карт соседних масштабов отличается не более чем на 25-30%, а при переходе к масштабу карт, минуя один масштаб, получаем различия в объектном составе - 40-50%. Таким образом, если использовать контуры, собранные для более мелкого масштаба, то при переходе от мелкого к более крупному масштабу можно сократить затраты труда на 70-50%.

Это возможно при использовании метода свободных моделей, когда собранная информация хранится с внутренней метрической точностью и при переходе к более крупному масштабу большая часть контурной информации сохраняется. Внешнее ориентирование выполняется по соответствующему количеству опорных точек, обеспечивающему требуемую точность.

Однако, следует помнить, что для некоторых объектов существенно изменяется, способ отображения (условные знаки). Поэтому необходимо выполнить тщательное редактирование.

Экспериментальная проверка метода свободно ориентированных моделей была выполнена по маршруту и блоку аэрофотоснимков масштаба 1:10 000. Маршрут снимков состоял из 17 стереопар, количество опорных точек 16. Координаты точек сгущения получены в результате фототриангуляции по комплексу И.Т. Антипова «Фотоком 32».

Фотограмметрическая обработка снимков осуществлялась по двум технологиям: стандартной технологии и технологии, основанной на методе свободно ориентированных моделей. В предлагаемой технологии контуры и отдельные точки были измерены в свободной фотограмметрической системе координат.

Построение моделей, рисовка контуров и измерение координат точек модели выполнялись на цифровом стереоплоттере вББ. Для «внешнего ориентирования» сети в методе свободно ориентированных моделей использовались пространственные координаты точек в свободной фотограмметрической системе координат.

Затем координаты точек, контуров, линий и отдельных объектов были перевычислены в геодезическую систему координат с использованием программного модуля Bindlmage.

Bindlmage также выполняет исключение деформации сети полиномиальным методом.

При выполнении экспериментальных работ для этого использовались полиномы второй степени. Цель экспериментальных работ состояла в исследовании возможности достоверной передачи графической информации при нелинейных преобразованиях и оценке точности метода. В соответствии с этим на выбранный объект не составлялась полная карта, а были выбраны протяженные контура и линии, которые пересекали несколько снимков маршрута. Кроме того, на каждой из стереопар №1, №5, №17 были выбрано около 50-ти контурных точек, координаты которых были определены по Iой и

ттой

II технологии.

Визуальный контроль контуров, полученных по предлагаемой технологии, показал отсутствие разрывов и существенных остаточных искажений вследствие применения нелинейных преобразований. Средние квадратические ошибки, вычисленные по расхождениям координат точек, полученных по исследуемым технологиям, составляют:

тх =0,25 м, ту =0,32 м, т2 =0,22 м.

Это показывает работоспособность метода свободно ориентированных моделей.

Предложенная технология была использована для создания карт масштабов по аэрофотоснимкам масштаба

Объект съемки — нефтегазодобывающий комплекс. Съемка выполнялась для топографо-геодезического обеспечения мест нефтеразработок, требующего

создания карты различной точности и детальности. На рисунке 7 приведены фрагменты карт на район нефтегазодобычи.

Рисунок 7 - Фрагменты карт масштабов 1:10 ООО, 1:2000, 1:1 ООО, полученные по снимкам масштаба 1:10 ООО методом свободно ориентированных моделей

Также были выполнены экспериментальные работы по проверке методики привязки космических снимков по материалам аэрофотосъемки.

Были использованы снимки, полученные космической съемочной системой Quick Bird в панхроматическом канале с разрешением 0,68м на местности и снимки в узких спектральных зонах с разрешением

Для привязки космических снимков использовались аэрофотоснимки масштаба 1:7500.

На космических снимках был выделен участок, соответствующий четырем стереопарам аэрофотоснимков. Привязка снимков была выполнена по методике, изложенной в третьем разделе. Затем были вычислены расхождения между координатами точек, взятыми с карты, и полученными по космическим снимкам, привязанным по свободно ориентированной сети аэрофотоснимков.

Средние квадратические расхождений составили: тх = 1,25м, ту = 1,38м. По данной методике было выполнено обновление карты масштаба на

отдельные районы г. Новосибирска.

Заключение

1. В работе рассмотрены технологии фотограмметрической обработки снимков и последние достижения в области космических съемок и мониторинга поверхности и объектов с использованием ГИС. В результате анализа определены "узкие" места традиционных технологий и намечены основные направления их совершенствования на основе развития цифровых фотограмметрических методов обработки снимков.

2. Разработана структурная модель влияния ошибок цифровых снимков на точность получения фотограмметрической продукции на различных стадиях обработки. Введено новое понятие — внутренняя метрическая точность цифровых аэрофотоснимков. Обоснована необходимость хранения фотограмметрических данных на определенных этапах обработки, что дает возможность регулировать точность результатов фотограмметрической обработки.

3. В диссертации автором предложен метод свободно ориентированных моделей, позволяющий реализовывать потенциальные возможности цифрового снимка. Метод основан на построении свободных моделей местности по стереопаре или нескольким стереопарам снимков. Сбор данных - рисовка контуров, измерения для ЦМР, редактирование данных осуществляется в свободной системе координат, что обеспечивает получение информации с точностью, соответствующей метрической точности цифрового изображения.

Это позволяет использовать собранную информацию для составления карт различных масштабов и получения моделей различной точности.

4. Автором предложены новые технологии создания цифровых карт, основанные на методе свободных моделей:

- технология создания карт разного масштаба по снимкам одного залета и технология создания разномасштабных карт;

- технологии трансформирования космических снимков высокого и среднего разрешения по аэрофотоснимкам.

5. Выполненные экспериментальные работы показали эффективность и работоспособность предложенных технологий. Технологии доведены до практической реализации. По этим технологиям созданы карты масштабов 1:1000-1:10000, разномасштабные карты, а также выполнена привязка космических снимков высокого разрешения на основе метода свободно ориентированных моделей.

Список опубликованных работ, отражающих основное содержание диссертации.

1. Евстратова Л.Г. Технология создания цифровых карт по материалам аэрофотосъёмки [Текст] / Л. Г. Евстратова // Материалы научно-тех. конф., посвященной 60-летию кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования 9-11 декабря 2003 г./ СГГА. -Новосибирск, 2003. - С.40-41.

2. Евстратова Л.Г. Исследование объектного состава цифровых карт крупных масштабов [Текст] / Л.Г. Евстратова // Материалы региональной научно-тех. конф. с международным участием, посвященной 85-летию Роскартографии и 30-летию кафедры инженерной геодезии и картографии ИрГТУ. / ИрГТУ - Иркутск, 2004. С - 83-85.

3. Евстратова Л.Г. Разработка технологии создания цифровых карт различных масштабов по свободно ориентированной маршрутной сети [Текст] / Л.Г. Евстратова // Геодезия и картография. - 2004. - № 9.-С. 42-44.

4. Евстратова Л.Г. Технология наполнения базы данных ГИСдля решения оперативных задач по аэрофотоснимкам единого залета [Текст] / Л.Г. Евстратова // Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий — устойчивое развитие Сибирского региона. Материалы научно-прак. конф. - Новосибирск, 15 сентября 2004г. - С. 119.

5. Евстратова Л.Г. Создание банка свободно ориентированных геоданных, полученных по аэрокосмическим снимкам [Текст] / А.П. Гук, Л.Г.

Евстратова // Тезисы докладов научно-техн. конф. «Геоинформационные технологии для решения задач управления рисками и кризисными ситуациями», Екатеринбург: Уралгеоинформ, 29-30 июня 2004. - С 54-55.

6. Евстратова Л.Г. Исследование технологии построения цифровой фотограмметрической модели с переменной точностью [Текст] / Л. Г. Евстратова // Материалы ЕШ международной научно-техн. конф. часть II, посвященной 70-летию СГГА / СГГА - Новосибирск, март 2003.-С.65.

7. Евстратова Л.Г. Технология обработки космических снимков с использованием свободно ориентированной пространственной модели, построенной по аэрофотоснимкам [Текст] / Л.Г. Евстратова // Материалы международного научного конгресса «ГЕ0-Сибирь-2005», Мониторинг окружающей среды, геоэкология, дистанционные методы зондирования земли, 25-29 апреля 2005 г., Том 5, Новосибирск. СГГА,2005. - С 59-61.

______1 «ЫЦЮМЛЫИ? 5.

и шАШ.ЙХ.}

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Евстратова, Лариса Геннадьевна

Введение

1 Современное состояние методов фотограмметрической обработки снимков

1.1 Технологии создания карт, основанные на аналоговых и аналитических методах фотограмметрии

1.2 Цифровые фотограмметрические технологии создания цифровых карт и ортофотопланов

1.3 Космические снимки высокого и среднего разрешения

1.4 ГИС и мониторинг поверхности по материалам аэрокосмических съемок

2.1 Измерение координат точек по цифровым снимкам

2.2 Анализ ошибок цифровых снимков

2.3 Структурная модель изменения точности в процессе фотограмметрической обработки измерений

3 Разработка технологии создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей

3.1 Сущность метода свободно ориентированных моделей

3.2 Технология создания карт различного масштаба по снимкам одного масштаба на основе метода свободно ориентированных моделей

3.3 Мониторинг поверхности и карты переменного масштаба

4 Экспериментальные работы по исследованию предложенных технологий

4.1 Анализ объектного состава крупномасштабных карт

4.2 Исследования точности метода свободно ориентированных моделей, построенных по аэрофотоснимкам

4.3 Исследования точности визирования на точки цифровых снимков

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологий создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей"

Актуальность темы. Развитие цифровых методов фотограмметрической обработки снимков обеспечивает создание принципиально новых эффективных технологий, позволяющих получать как стандартные виды продукции — цифровые карты, планы различного назначения, ЦМР, цифровые фотопланы и ортофотопланы и т.п., так и принципиально новые виды продукции, например, ЗО-реалистичные модели, информацию для оперативного и планового мониторинга и т.д.

Появление цифровой фотограмметрии связывают с 1988 годом, когда Helava представил первый цифровой стереоплоттер. Однако, разработка цифровых методов началась гораздо раньше - в 80-х годах XX века.

Разработка методов аналитической фотограмметрии началась в середине 50-х годов XX века с появлением электронных вычислительных машин, хотя теоретические основы аналитической фотограмметрии были разработаны профессором Урмаевым Н.А. еще в 40-х годах [6].

Основной вклад в развитие аналитической фотограмметрии внесли советские ученые: Лобанов Н.А., Антипов И.Т., Журкин И.Г., Добрынин Н.Ф., Погорелов В.В., Трунин А.П., Тюфлин Ю.С. и другие, а также зарубежные ученые:Вго\уп D.S., Hallert В., Schmid Н., Ackerman F., Schut G.H. Значительный вклад в развитие цифровой обработки изображений, ориентированной на решение фотограмметрических задач, внесли российские ученые: Журкин И.Г., Гук А.П., Чибуничев А.Г., Пяткин В.П., Книжников Ю.Ф., Нехин С.С., Зотов Г.А. и другие, а также зарубежные ученые: Helava, Hobronght C.L., Konecny G.

В настоящее время в методах цифровой фотограмметрии реализованы основные идеи и технологии аналитической фотограмметрии. Главное направление дальнейшего развития — автоматизация фотограмметрических измерений и разработка новых технологий.

Абсолютная" гибкость цифровых методов обработки открывает неограниченные возможности в создании новых методик и технологий, рассчитанных на решение конкретных задач и получение новых видов продукции. При этом "специализированные" методы позволяют решить конкретную задачу с меньшими затратами, получить результат быстрее и с более высокой точностью, чем при использовании стандартных технологий.

В настоящей работе рассмотрены различные варианты выполнения фотограмметрической обработки снимков, основанные на методе свободно ориентированных моделей, что позволяет существенно изменить технологию и получать новые виды фотограмметрической продукции. Работы в этом направлении были начаты в 2000 году и, несмотря на то что одновременно метод разрабатывался и другими авторами (Чибуничев А.Г., Ли Чжун Хва, Козориз М. Д. и др.), в данной работе методика обработки существенно отличается от предложенной другими авторами, о чем подробнее будет сказано далее.

Расширение сферы использования методов фотограмметрии, повышение экономической эффективности выполнения работ, сокращение производстве ного цикла, создание новых видов продукции являются первостепенными задачами развития отрасли.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

Объект и предмет исследования. Объект исследования — методы цифровой фотограмметрической обработки аэрокосмических снимков. Предмет исследования - технология создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам.

Теоретическая и методологическая база исследования. В работе использованы методы цифровой обработки изображений, аналитической и цифровой фотограмметрии. Уравнивание выполнялось по методу наименьших квадратов; оценка измерительных свойств системы осуществлена с использованием частотного подхода анализа изображений, а оценка точности измерений выполнялась в соответствии с положениями теории вероятности.

На защиту выносятся:

- структурная модель влияния ошибок на точность получения результатов на каждом этапе фотограмметрической обработки измерений;

Основные результаты исследования:

- разработана структурная модель изменения точности на каждом этапе фотограмметрической обработки снимков;

- предложена методика привязки космических снимков высокого и среднего разрешения для оперативного обновления информации в ГИС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение: на научно-технической конференции, посвященной 60-летию кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, СГГА, 9-11 декабря 2003 г.; на региональной научно-практической конференции с международным участием, посвященной 85-летию Роскартографии и 30-летию кафедры инженерной геодезии и картографии ИрГТУ, 12-13 марта 2004г., г. Иркутск; на LIV научно-технической конференции, посвященной 225-летию геодезического образования в России, 19-23 апреля 2004г., г. Новосибирск; на научно-практической конференции "Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий — устойчивое развитие Сибирского региона", г. Новосибирск, 15 сентября 2004 г.; на научно-технической конференции "Геоинформационные технологии для решения задач управления рисками и кризисными ситуациями", г. Екатеринбург, Уралгеоинформ, 29-30 июня 2004 г.; на международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиКа, Москва, 2004 г.; на международном научном конгрессе «ПЮ-Сибирь-2005», 25-29 апреля 2005 г., г. Новосибирск.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников, содержащего 132 наименования, приложений 5. Общий объем составляет 171 страницу печатного текста, 17 рисунков, 7 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия", Евстратова, Лариса Геннадьевна

Выводы по разделу I.

I. Цифровые технологии фотограмметрической обработки снимков открыли широкие возможности для совершенствования технологий создания цифровых карт и моделей местности.

Основным недостатком аналоговых и аналитических методов являлось то, что результат обработки получали в неизменном виде. Это могла быть карта или фотоплан заданного масштаба, цифровая модель рельефа и т.д. Для создания другого документа, например, карты или плана иного масштаба требовалось полностью повторить технологический цикл.

Цифровые методы обработки снимков позволяют более гибко подходить к этому вопросу и обладают возможностью изменять точность создаваемой продукции, дополнять или изменять объектный состав, создавать новые виды продукции и т.д. Для реализации потенциальной гибкости цифровых методов требуется исследовать, как изменяется точность на каждой стадии обработки снимков, выделить этапы качественного изменения обрабатываемых данных и разработать методику фотограмметрической обработки, реализующую потенциальные возможности снимков, позволяющую менять точность продукции в зависимости от требований заказчика.

2. В настоящее время все более широкое применение получают космические снимки среднего и высокого разрешения. Эти снимки используются при детальном исследовании поверхности Земли, для выполнения постоянного и оперативного мониторинга и т. д.

Чтобы повысить эффективность использования космических снимков, требуется разработать методику их оперативной привязки. Это возможно при использовании материалов ранее проведенной аэрофотосъемки и цифровых методов обработки снимков.

3. Активное применение ГИС технологий требует создания новых видов продукции. Современные ГИС получают данные из различных источников, совмещают эти данные, однако не всегда учитывается их точность. Данные, полученные по снимкам, так же как и другая информация в ГИС, должны иметь заданную точность. При этом пользователь должен иметь сведения о точности данных и о возможности изменения точности этих данных. Следует помнить, что вся информация, используемая в ГИС, должна быть согласована по метрической точности, иначе возможно принятие ошибочного решения во время функциональной обработки.

Задачи, решаемые геоинформационными системами, требуют описания различных участков объекта с разной точностью и детальностью. В ряде случаев возникает необходимость изменить точность уже используемых данных непосредственно в процессе обработки информации. Это требует специальной организации хранения исходных данных и результатов обработки, полученных на определенных этапах. Также необходимо обеспечить возможность выполнения дополнительной обработки с целью повышения точности и детальности.

В настоящее время эти вопросы недостаточно разработаны. Нужно создать систему обработки снимков, позволяющую получать данные различной точности и изменять точность и детальность получаемой информации в зависимости от требований заказчика в процессе обработки с минимальными затратами.

Для этого нужно разработать эффективную систему хранения фотограмметрической информации и гибкие методы обработки, то есть нужно разрабатывать новые фотограмметрические технологии, обеспечивающие изменившиеся требования к получаемой информации.

2.1 Измерение координат точек по цифровым снимкам

Измерения по цифровым снимкам выполняются практически так же, как и по аэрофотоснимкам на оптико-механических фотограмметрических приборах.

Для выполнения измерений формируется цифровое изображение марок различного цвета и формы. Перемещения марки фиксируются в системе координат цифрового изображения и в зависимости от стадии ориентирования снимка измеряются координаты точки в системе координат цифрового изображения, системе координат снимка, фотограмметрической или геодезической системах координат.

Стереоизмерения в цифровых стереоплоттерах выполняются методом мнимой марки, то есть формируют цифровые изображения левой и правой марок, которые при стереоскопическом рассматривании сливаются и образуют одну "пространственную" марку. Стереоизмерения осуществляются способом "миганий" с использованием жидкокристаллических очков.

Идеальным цифровым изображением будем называть матрицу чисел, значения которых соответствует яркости соответствующего элемента исходного изображения [2].

В соответствии с [49], точность измерения на аэрофотоснимках определяется следующим образом.

Для монокулярных измерений - ошибка наведения марки на точку (тХ7У) определяется: тх у = DAy, (7) где D — расстояние наилучшего зрения (обычно принимается D = 250 мм);

Ау — острота монокулярного зрения первого рода (Ау = 45").

Если снимки рассматриваются с увеличением их , то получим: т =

DAy

Для стереоскопических измерений плановых координат точек [47]: где Ay i - острота бинокулярного зрения ( обычно Ayi = 30"). Точность определения координат (Z) по стереомодели определяется соотношением:

Особенность измерения координат точек по цифровым снимкам заключается в том, что цифровое изображение - дискретное. Это отражается как на измерении, так и на отображении и снимков, и модели.

Отображение снимков на экране монитора происходит с фиксированным увеличением, определяемым отношением размера элемента дисплея цифрового изображения рэхрэ к размеру элемента цифрового изображения рхр:

Так, если размер элемента цифрового изображения р=20 мкм, а размер точки (элемента) на экране мониторарэ=0.28 мм (для мониторов с экраном 17"— 19"), то имеем vx=14x, для р=10 мкм - v=28x.

Экранное увеличение можно изменять: увеличивать путем удвоения элементов цифрового изображения и соответственно уменьшать путем объединения элементов цифрового изображения и усреднения яркостей.

10)

П) Р

Расстояние наилучшего зрения при D-450-500 мм [49]. Соответственно, угол, под которым виден элемент кун=Рэ/С>, так, для р=28 мм имеем Ау[ = 9.17".

Таким образом, Ду[»Аун, и точность визирования определяется полностью точностью монокулярного (45") и стереоскопического зрения (30"). Оценим точность измерений координат точек по цифровым снимкам тху = DAy/(v), при D = 450 мм, Ау=45" имеем тху=98 мкм (без увеличения); при v = 14х, тх у=7.0 мкм; v = 28?, тху=3.5 мкм. Для стереоизмерений имеем:

13) тп =-—

Р их

14) для v = 14х, Ау=30", D = 450 мм, тр-4.67 мкм; для v = 28к, тр~2.33 мкм. Ошибка измерения высот точек стереомодели, на цифровом стереоплоттере определяется как: mz=-D(15) brvp при D = 450 мм, Ау=30", Ьг=65 мм имеем для v = 14х (р=20 мкм), mz=32.36 мкм; для v = 28х (р=10 мкм), mz=16.18 мкм (р"=206265).

Заметим, что разрешающая способность цифрового снимка связана с размером элемента следующим соотношением:

R = — , (16)

2Д где Д - размер элемента изображения.

Точность визирования зависит от многих факторов. Это не только острота бинокулярного и монокулярного зрения, влияние которых подробно рассмотрено выше, но и такие факторы, как:

- освещенность;

- контраст изображения;

- отношение сигнал/шум (зернистость фотоматериала);

- размеры и цвет измерительной марки;

- вид и форма измеряемого объекта и т.д.

Такие факторы, как контрастность и размеры объектов, достаточно хорошо описываются математически с помощью так называемых частотно-контрастных характеристик (ЧКХ) системы, формирующей изображение [48].

ЧКХ определяется как функция снижения контраста между соседними элементами изображения в зависимости от частоты изображения [21, 49]. Наглядно частоту изображения можно представить как изображение миры абсолютного контраста с изменяющимся расстоянием между соседними парами штрихов [21, 49].

При учете влияния вышеуказанных факторов на точность визирования необходимо ввести в формулы (13), (14), (15) корректирующий коэффициент.

Чтобы учесть факторы, влияющие на точность визирования, следует выполнить фотометрическую калибровку и определить ЧКХ системы, формирующей изображение. Также при фотометрической калибровке требуется определить отношение сигнал/шум или зернистость (гранулированность изображения). Разработано множество способов определения ЧКХ в процессе фотометрической калибровки снимков [21, 42]. ЧКХ определяется как функция, получаемая путем преобразования Фурье импульсного отклика на единичный сигнал системы, формирующей изображение[21].

Заметим, что точность измерения по цифровым снимкам, рассчитанная по формуле (14), приближенно соответствует А/3, это вполне согласуется с теорией взятия отчетов по равномерной шкале, в соответствии с которой "на глаз" можно выполнить измерения с точностью А'/10, где А7 — шаг штрихов измерительной системы.

Для оценки реальной точности визирования на точки цифровых изображений и оценки точности определения координат по цифровым изображениям необходимо выполнить специальные экспериментальные работы. Организация эксперимента по точности визирования для цифровых снимков приведена в разделе 4.

2.2 Анализ ошибок цифровых снимков

Цель настоящего раздела состоит в том, чтобы показать, как влияют ошибки на метрическую точность цифрового изображения и точность измерений по цифровым снимкам, как они учитываются и как будут влиять на точность фотограмметрической обработки снимков на каждом из этапов.

Ошибки цифрового снимка — это ошибки исходного снимка, ошибки, возникающие в процессе получения цифрового изображения (сканирования исходных снимков) и ошибки измерения координат точек цифровых снимков.

Ошибки аэрофотоснимков детально изучены. Исследованию ошибок снимков посвящено большое количество работ [50 - 52]. Цифровые снимки по сравнению с аэрофотоснимками дополнительно содержат лишь ошибки сканирования. Однако следует учитывать, что точность визирования на точки цифровых снимков будет отличаться от точности визирования на точки фотографического снимка.

Характеризуем кратко каждый вид ошибок. В первую очередь следует отметить, что все ошибки делятся на систематические и случайные [50]. Систематические ошибки могут быть полностью исключены или в крайнем случае уменьшены при калибровке снимков и последующей фотограмметрической обработке. Влияние случайных ошибок может быть уменьшено за счет уравнивания измерений. Обычно уравнивание выполняется на основе способа наименьших квадратов под условием [53, 54]: N

Y,PPPi = min, (17) где и- невязки в уравнениях; р- вес соответствующих измерений; N - количество измерений.

Перейдем к рассмотрению основных систематических ошибок аэрофотоснимков.

Дисторсия — искажения, вносимые объективом АФА за счет неравномерности увеличения по полю зрения объектива. Дисторсия бывает радиальная и тангенциальная: радиальная дисторсия действует вдоль радиуса вектора, соединяющего главную точку и точку на снимке, тангенциальная — перпендикулярна соответствующему радиусу вектору. Величина дисторсии увеличивается от центра к краям изображения. Радиальная дисторсия описывается выражением [15]:

Ах,. =-х[\- (к0 + V,2 + Кri + кзП )] Ау,=-у[\-{к, + кхг2 +*2п4+ *з16)] ь

18) где г, — радиус-вектор, определяющий положение /-ой точки относительно главной точки снимка О;

Ах,- ,Ау, - ошибки точек, вызванные влиянием радиальной дисторсии; к,- — коэффициенты. Тангенциальная дисторсия соответственно определяется выражением [15]:

Ъ dx2+dy2 dx cos^r +2dxs\xupT

ATy=(yi+yQ)(k4 + k5d2)

2\( 3dy2 +dx2 . . 11 smq)T +lay cosq)T dy (xi+x<y)Dx

К (19) где cp, - угол разворота системы координат снимка относительно калибровочной сетки;

Хо,Уо ~ координаты главной точки снимка О; dx, dy-координаты /-ой точки на снимке; d — расстояние от точки О до точки на снимке.

Систематическая дисторсия составляет:

- для отечественных АФА — 8 - 10 мкм в центральной зоне снимка, 20 — 35 мкм на краях снимка;

- для лучших зарубежных АФА в центральной зоне снимка 2 — 3 мкм, на краях снимка 8-10 мкм [15].

Систематическая часть дисторсии может быть исключена в процессе калибровок АФА или при фотограмметрической обработке по методу самокалибровки [9, 11]. Остаточная дисторсия будет не выше 2 - Змкм.

Влияние дисторсии описывается в соответствии с соотношением (Brown)

55]:

Ах;. = х;. [я,г2 + а2г4 + я3г6] +1 с, (г2 + 2х) ) + 2с2х^ 1 • [l + с3г2.] avi = у, w2 + ++[2 w,+°2 {г2 + f ] ■■ [1+

Ь (20) где а\, С[ - коэффициенты, которые определяются в процессе калибровки; У\ — координаты точки на снимке; г. = у]х* + у) — расстояние между точкой на снимке и точкой О; Ar(, Ау, - поправки за влияние дисторсии. Используя (20) можно учесть влияние систематической дисторсии объектива АФА.

Невыравнивание фотоматериала в плоскость. Эти ошибки, в основном случайного характера, не превышают 8-10 мкм. Лучшие современные АФА имеют систему высококачественного прижима фотопленки, и ошибки не превышают 3-4 мкм.

Клиновидность светофильтра. Ошибки, вызванные этой причиной, также для современных АФА практически не влияют на положение точек на изображении [55].

Смаз изображения в процессе съемки за счет движения носителя в процессе экспозиции фотоматериала является одним из наиболее существенных факторов, вносящим ошибки в аэрофотоснимки, особенно при крупномасштабной съемке. Однако с появлением систем компенсации сдвига изображения, которыми оснащены современные АФА, эти ошибки были сведены к минимуму и соизмеримы с ошибками оптического изображения, полученного объективом АФА.

Деформация фотоматериала вносила существенные ошибки (до 40 — 50 мкм), пока не появились пленки на лавсановой основе (80-е года XX века), которые после фотохимический обработки практически не деформируются.

Рефракция атмосферы. Ошибки, связанные с искривлением световых лучей за счет влияния атмосферы, весьма сложно исключить, так как они зависят не от АФА, а от состояния атмосферы и изменяются для каждой аэрофотосъемки и для каждого снимка. Вопрос влияния на аэрофотоснимки атмосферы тщательно изучался, создавались различные математические модели описания атмосферы и модели учета рефракции. Однако полностью учесть ошибки влияния атмосферы с помощью математических моделей, описывающих состояние атмосферы, нельзя [53]. Наилучший метод, позволяющий уменьшить ошибки за счет рефракции, - метод самокалибровки, то есть уравнивание сети фототриангуляции с дополнительными неизвестными

9].

При сканировании снимков возникают ошибки, являющиеся следствием ошибок сканера. К ошибкам сканера относятся [2]:

- неперпендикулярность направляющих, по которым перемещаются каретки, несущие чувствительный элемент, воспринимающий изображение — матрицу или линейку ПЗС;

- нестабильность размеров апертуры приемника — чувствительного элемента линейки или матрицы ПЗС;

- невыравнивание фотоматериала в плоскость.

При сканировании также вносятся ошибки фотометрического характера, которые также оказывают влияние на точность визирования на точки на цифровых снимках [109, 126, 128, 129, 130 и др.].

В первый период использования цифровой фотограмметрии для сканирования использовались "бытовые" или офисные сканеры типа "Umax", Hewlett Packard и т.д. Эти сканеры вносили существенные ошибки, особенно в направлении, перпендикулярном строке сканирования (ошибки достигали 30-80мкм). Для их устранения необходимо было выполнить тщательную калибровку, но даже после этого ошибки были не менее 10-15 мкм [129, 132]. В этот период уже было налажено производство специальных фотограмметрических сканеров (таблица 3), но стоимость этих сканеров была чрезвычайно высока и они не были доступны для большинства организаций в России, занимающихся цифровой фотограмметрией.

В конце 90-х годов XX века были разработаны отечественные фотограмметрические сканеры ФС-30 и последующие модификации. Эти сканеры вносят ошибки при формировании цифрового изображения не более 2 - 3 мкм и имеют приемлемую стоимость. Тщательные исследования сканеров, выполненные на кафедре фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, показали, что средние квадратические ошибки шх>у не превышают 2 -Змкм и носят случайный характер.

• • «

Заключение

2. Разработана структурная модель влияния ошибок цифровых снимков на точность получения фотограмметрической продукции на различных стадиях обработки. Введено новое понятие - внутренняя метрическая точность цифровых аэрофотоснимков. Обоснована необходимость хранения фотограмметрических данных на определенных этапах обработки, что дает возможность регулировать точность результатов фотограмметрической обработки.

3. В диссертации автором предложен метод свободно ориентированных моделей, позволяющий реализовывать потенциальные возможности цифрового снимка. Метод основан на построении свободных моделей местности по стереопаре или нескольким стереопарам снимков. Сбор данных — рисовка контуров, измерения для ЦМР, редактирование данных осуществляется в свободной системе координат, что обеспечивает получение информации с точностью, соответствующей метрической точности цифрового изображения. Это позволяет использовать собранную информацию для составления карт различных масштабов и получения моделей различной точности.

4. Автором предложены новые технологии создания цифровых карт, основанные на методе свободных моделей:

- технологии трансформирования космических снимков высокого и среднего разрешения по аэрофотоснимкам.

5. Выполненные экспериментальные работы по реальным снимкам показали эффективность и работоспособность предложенных технологий. Технологии доведены до практической реализации. По этим технологиям созданы карты масштабов 1:2000 — 1:10 ООО, разномасштабные карты, а также выполнено трансформирование космических снимков высокого разрешения, полученные системой Quick Bird (разрешение на местности 0,8 м) и контуров, собранных по этим снимкам - плановой части карты на основе метода свободно ориентированных моделей.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Евстратова, Лариса Геннадьевна, Новосибирск

1. Пяткин, В. П. Дистанционное зондирование: количественный подход Текст. / В.П. Пяткин, О.А. Юдина; пер. с англ. -М.: Недра, 1983. -415 с.

2. Гук, А. П. Цифровая обработка снимков Текст. / А. П. Гук. -Новосибирск: СГГА, 1987. 82 с.

3. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений Текст. В 2-х т. Т. 1,2/ У. Прэтт.-М.: Мир, 1982.-285 с.

4. Цифровое кодирование телевизионных изображений Текст. / Под рук. Цукерман. М.: Радио и связь, 1986 . - 240 с.

5. Jerome Е. Dobson. Commentary: A conceptual Framework for intergrating remote sensing, GIS, and geography // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol.59. October 1993. - № 10. - pp. 1491-1496.

6. Урмаев, К.JI. Элементы фотограмметрии Текст. / K.JI. Урмаев — М.: Геодезиздат, 1941. — 220 с.

7. Хрущ, P.M. Этапы становления и развития фотограмметрии в России Текст. / Р.М.Хрущ // Геодезия и картография. 2003. — №7. — С. 50-61.

8. Бобир, Н. Я. Фотограмметрия Текст. / Н. Я. Бобир, А. Н. Лобанов, Г. Д. Федорук. М.: Недра, 1974.

9. Фототриангуляции с применением электронной цифровой вычислительной машины Текст. / А. Н. Лобанов и др. М.: Недра. — 1975.

10. Лобанов, А. Н. Аналитическая фотограмметрия Текст. / А. Н. Лобанов. — М.: Недра, 1972.-224 с.

11. Антипов, И. Т. Математические основы пространственной аналитической фототриангуляции Текст. / И. Т. Антипов. -М.: Картгеоцентр Геодезиздат, 2003. — 296 с.

12. Лобанов, А. Н. Автоматизация фотограмметрических процессов Текст. / А.Н. Лобанов, И.Г. Журкин. М.: Недра, 1981.-264 с.

13. Антипов, И. Т. Вопросы повышения точности аналитической фототриангуляции Текст. / И. Т. Антипов. // Геодезия и картография. -1976.-№5. с. 45-51.

14. Антипов, И. Т. Накопление ошибок в фотограмметрической сети, уравнения по условиям коллинеарности Текст. / И. Т. Антипов. // Геодезия и картография. 2003. — №3. — С. 25-31.

15. Manuel of photogrammetry Third edition Текст. // American Society of Photogrammetry .- 1985. 1056 p.

16. Киенко, Ю. П. Основы космического природоведения Текст. / Ю.П. Киенко. — М.: Геодезиздат, 1999. 285 с.

17. Зятькова, JI. К. Геомониторинг природной среды Текст. T.l. / JI.K. Зятькова, И.В. Лесных Новосибирск, 2004. — 375 с.

18. Киенко, Ю. П. Новый космический аппарат для дистанционного зондирования Земли Текст. / Ю. П. Киенко // Геодезия и картография. — 1999. -№2.- С. 33-37.

19. Киенко, Ю. П. Космические съемки со спутника «Ресурс-Ф1М» Текст. / Ю. П. Киенко // Геодезия и картография. — 2000. №2. - С. 36 - 39.

20. Савиных, В. П. Аэрокосмическая фотосъемка Текст. / В. П. Савиных ,А. С. Кучко, А. Ф. Стеценко. М.: "Картгеоцентр" - "Геоиздат", 1997. -378 с.

21. Тюфлин, Ю. С. Космическая фотограмметрия при изучении планет и спутников Текст. / Ю.С. Тюфлин. М.: Недра, 1986. - 240 с.

22. Гук, А.П. Технология оперативного создания и обновления цифровых карт по радиолокационным снимкам Текст. / А. П. Гук, Г. Б. Мчедлишвили // Геодезия и картография. — 1993. №5.- С. 29-32.

23. Гук, А. П. Фотограмметрическая обработка сканерных снимков Текст. / А. П. Гук Новосибирск, 1985.-81 с.

24. Яншин, A. JI. Научные проблемы охраны природы и экологии Текст. /А. Л. Яншин // Экология и жизнь. 1999. - №3.- С. 6-9.

25. Кашин, В. Б. Дистанционное зондирование земли из космоса Текст. /В. Б. Кашин, А. И. Сухинин. М.: "Логос" - 264 с.

26. Камышев, А. П. Методы и технологии мониторинга природно-технических систем Северо-Западной Сибири Текст. / А. П. Камышев. -М.: ВНИПИГАЗ ДОБЫЧА, 1999. 230 с.

27. Савиных, В. П. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования Текст. / В. П. Савиных, В. Я. Цветков. — М: "Картгеоцентр" — "Геодезиздат", 2001. 228 с.

28. О создании геоэкологического деформационного мониторинга при освоении месторождений нефти Текст. / М. Д. Козориз и др. // Тез. докл. на научно-техн. конф. «Неделя горняка». — М.: Гор. гос. ун-т, 1999.

29. Майкл Н. Де Мере. Географические информационные системы Текст. / Майкл де Мере. М.: Дата, 1999. - 490 с.

30. D.Fritsch. Three dimensional geographic information systems status and prospects // International Achieves of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol XXXI, Part 33. Vienna, 1996;

31. A. Mandan. The current and future SPOT program. ISPRS workshop. -Hanover-Oct 2003.

32. H.B. Hanlu, C.S. Fraser. Sensor orientation for hight resolution satellite imagery: furthes insights into beas - compensated RPCS.;

33. Тюфлин, Ю. С. Новые методы аэрокосмических съемок и задача фотограмметрии Текст. / Ю. С. Тюфлин // Геодезия и картография. — 1994.-№6.- С.31 -36.

34. Белов, М.А. IKONOS первый коммерческий спутник ДДЗ высокого разрешения Текст. / М.А Белов // Геопрофи. — 2004. - №6. - С. 15-18.

35. Аванесов, Г. А. Цифровые аэросъемочные комплексы Текст. / Г. А. Аванесов, Ю. П. Киенко // Геопрофи. 2004. - №1. - С. 5-12.

36. Тикунов, В. С. Устойчивое развитие территорий картографо — геоинформационного обеспечения Текст. / В. С. Тикунов, Д. А. Цапон— Москва Смоленск: Изд-во СГУ, 1999. - 176 с.

37. Boullon. SPOT 5 HRS location performance tuning and monitory principles // ISPRS Congress, In Stambul 2004.

38. Fraser C.S., Hanley N.B., T. YamaRawa. 3D geopositionnig accuracy of IKONOS imagery // Photogrammetric Record 2002. V. 17. - pp. 465-479.

39. Charles Alverson. The view from the commission: setting environmental data standards / Charles Alverson // GIS Егоре. -1995. -Vol. 4, № 8. pp.38 - 40.

40. Лобанов, A. H. Фотограмметрия Текст. / A. H. Лобанов.- M.: Недра, -1984.-552 с.

41. Ведровский, К. В. Фотографическая структурометрия Текст. / К. В. Ведровский, А. И. Венцман. -М.: Искусство, 1982.

42. Книжников, Ю. Ф. Особенности стереоскопических наблюдений дискретных аэрокосмических снимков Текст. / Ю. Ф. Книжников, Н. Н. Зинчук // Геодезия и картография. 2000. - №5. — С. 26-32.

43. Дубиновский, В. Б. Калибровка снимков Текст. / В. Б. Дубиновский. — М.: Недра, 1982.-224 с.

44. Полякова, В. А. Точность и надежность аналитической фототриангуляции. М.: Недра, 1977. - 190 с.

45. Павлов, В. И. Математические обработки фотограмметрических измерений Текст. / В. И. Павлов. М.: Недра, 1976. - 264 с.

46. Большаков, В. Д. Теория математической обработки геодезических измерений Текст. / В. Д. Большаков, П. А. Гайдаев. М.: Недра, 1977. — 367 с.

47. Большаков, В. Д. Уравнивание геодезических построений Текст. / В. Д. Большаков, Ю. М. Маркузе, В. В. Голубев. М.: Недра, 1968. — 400 с.

48. Broun D.C. Decentering Disfortion of Lenses // Photogrammettric Ingincering. Vol.32 № 3. may 1966. - pp. 444-462.

49. Куштин, И. Ф. Рефракция световых лучей в атмосфере Текст. / И. Ф. Куштин.- М.: Недра, 1971. 127с.

50. Воеводин, В. В. Матрицы и вычисления Текст. / В. В. Воеводин, Ю. А. Кузнецов.- М.: Наука, 1984. 320 с.

51. Коршунов, Р. А. Методы математической обработки фотограмметрических измерений. Текст. 4.2. Методы измерений / Р. А Коршунов. М.: изд- во ВИА, 1978.-140 с.

52. Лоусон, У. Численное решение задач метода наименьших квадратов Текст. / У. Лоусон, Р. Хейсон.- М.: Наука, 1986. 232 с.

53. Алберт, А. Регрессия, псевдоинверсия и реккурентное оценивания Текст. / А. Алберт. М.: Наука, 1977.

54. Ли Чжунь Хва. Исследование цифровых фотограмметрических систем и технологий для топографогеодезического обеспечения кадастраТекст. / Ли Чжунь Хва. М.: МГУ геодезии и картографии, 2001. - 23 с.

55. Козориз, М. Д. Разработка и исследование технологий инвентаризации нефтяных месторождений по материалам аэрокосмических съемок Текст.: дис. канд. техн. наук. — Новосибирск. СГГА, 2003. 150 с.

56. Инструкция о порядке формирования и учета кадастровых номеров земельных участков и прочно связанных с ними объектов недвижимости. (Пр. Роскомзема №102 от 19.09.1996). М.: Роскомзем, 1996. 16 с.

Информация о работе

Евстратова, Лариса Геннадьевна
кандидата технических наук
Новосибирск, 2005
ВАК 25.00.34

Диссертация

Разработка технологий создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Разработка технологий создания цифровых карт по аэрокосмическим снимкам на основе метода свободно ориентированных моделей - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы