Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование технологии обновления крупномасштабных цифровых карт и планов городов с применением ЦФС "Ortho/Neva"

ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Автореферат диссертации по теме "Исследование технологии обновления крупномасштабных цифровых карт и планов городов с применением ЦФС "Ortho/Neva""

00348

На правах рукописи

ПОГОРЕЛО!! ВЯЧЕСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБНОВЛЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ЦИФРОВЫХ КАРТ И ПЛАНОВ ГОРОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦФС «01ШЮЛЧЕУА»

Специальность 25.00.34-аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2009

2 С о'-

003481025

Диссертационная работа выполнена на кафедре аэрофотогеодезии Государственного университета по землеустройству.

Научный руководитель:

доктор технических наук Чекалнн Владимир Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Пехип Сергей Степанович кандидат технических наук Воронин Евгении Геннадьевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-исследовательский и производственный центр «Природа», ФГУП «Госцентр «Природа»

Защита диссертации состоится «¿¿>_» ноября 2009 г. в О часов на заседании диссертационного совета Д 212.143.01 в Московском Государственном Университете Геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064 Москва, Гороховский пер., 4 в зале заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан «_ » октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Б.Н.Краснопевцев

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Большая часть картматерналов России создана в 80-х годах прошлого века и нуждается в обновлении. Причем более целесообразно обновлять не бумажные топографические карты, а цифровую продукцию по материалам космической съемки с применением современных ЦФС, что и определяет актуальность выбранной темы диссертации.

Геометрические свойства цифровых спутниковых изображений радикальным образом отличаются от геометрии изображения традиционных аналоговых аэрофотоснимков. Это требует разработки соответствующих методов и средств их обработки. В этой связи, по инициативе автора, на Сев. -Кав. АГП в период 2005 - 2006 г.г. была разработана и внедрена ЦФС «Ог11ю-Ыеуа», которая предназначена для обработки космических снимков высокого разрешения. В разработке и внедрении ее на производство АГП автор принимал непосредственное участие [б].

Объект исследования и предмет исследовании. Объектом исследования являются методы и технологии обновления картографической продукции по материалам ДЗЗ. Предметом исследования являются основные этапы процесса обновления крупномасштабных цифровых карт и планов городов по космическим изображениям с применением серийной ЦФС «Ог^ю/Ыеуа».

Цель н задачи исследования. В процессе поиска и анализа темы диссертационной работы было выявлено, что ввиду сравнительно небольшого срока внедрения на производство ЦФС «ОгЛо/Кеуа» остается открытым вопрос о ее реальной точности и рентабельности применения для обновления крупномасштабной картографической продукции по материалам космического ДЗЗ. В этой связи целью диссертационной работы является научный анализ, совершенствование методов и технологии данной системы при обновлении цифровых карт и планов городов масштабов 1:5 000 - 1:25 000 по материалам космической съемки высокого разрешения и апробация ее основных научных

положений. Для достижения поставленной цели в диссертации определены следующие задачи:

1.Анализ правовых, научных и экономических аспектов задачи обновления цифровых карт и планов городов масштабов 1:5 ООО - 1:25 ООО на сельскохозяйственные районы и городские территории страны:

-оценка современного состояния национальной координатной основы крупномасштабных цифровых карт и планов городов России; -оценка уровня программного обеспечения, функциональных возможностей и технических характеристик ЦФС «Ortho/Neva»; -экспериментальное определение значений элементов внутреннего ориентирования наиболее распространенных на рынке ДЗЗ России спутниковых изображений.

2.Подготовка планово-высотной основы территории картографического проекта:

-разработка, исследование и реализация на ЦФС «Ortho/Neva» метода создания локального Datum'а на основе аффинного преобразования систем координат: МСК и СК WGS-84;

-теоретическое обоснование и апробация способа измерения высот зданий по одиночному спутниковому изображению.

3.Исследование методов 31)-моделирования рельефа:

-исследование существующих методов ЗБ-моделировапия по традиционной схеме: TIN-модель <-» ЦМР;

-теоретическое обоснование альтернативной методики генерации ЦМР на основе кригинг-ироцесса высот дискретных точек, орографических линий и динамических GPS-треков.

4.Апробация основных научных положений диссертации: -экспериментальное исследование технологии обновления цифровой карты г.Сочи масштаба 1:25 ООО с применением ЦФС «Ortho/Neva»; -исследование основных экономических показателей технологии обновления крупномасштабных цифровых карт и планов городов с применением ЦФС «Ortho/Neva».

4

¡Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием методов цифровой фотограмметрии, картографии, математической статистики и вычислительной геометрии. Для проверки правильности основных научных положений разработанной технологии обновления использован экспериментальный метод исследований.

Экспериментальные исследования осуществлены с помощью цифровой системы «Ortho/Neva» и картографической системы «Neva», имеющихся на производстве Сев.-Кав. АГП, с использованием производственных материалов космической съемки.

Научиан новизна. Основные результаты диссертационной работы, представляющие научную новизну и выносимые на защиту:

-научный анализ современного состояния задачи обновления картографической продукции, по результатам которого установлен факт отсутствия в России на текущий момент времени единой координатной основы для крупномасштабного картографирования;

-методика быстрой генерации ЦМР путем проведения кригинг-процесса на основе разнообразной информации о высотах точек местности;

-методика подготовки планово-высотного обоснования территории картографического проекта, базирующаяся на создании для каждого района работ своего локального Datnm'a. Обоснование теоретических положениий предложенного способа определения параметров локального Datum's на основе аффинного преобразования исходной системы координат;

-теоретическое обоснование и результаты апробации строгого способа измерения высот зданий по одиночному спутниковому изображению, позволяющего повысить точность фотограмметрических определений;

-результаты экспериментальных работ с целью определения ранее неизвестных значении элементов внутреннего ориентирования снимков 10-ти наиболее распространенных спутников ДЗЗ;

-результаты экспериментальных работ по обновлению цифровой карты масштаба 1:25 ООО на регион г. Сочи по космическим снимкам Alos высокого разрешения;

-результаты исследования экономической эффективности разработан-ной технологии обновления крупномасштабных цифровых карт и планов городов с применением ЦФС «Ortho/Neva» на основе обработки космических снимков высокого разрешения.

Практическая значимость работы. Разработанные методы и технология обработки цифровых изображений ЦФС «Ortho/Neva» позволяют обновлять цифровые карты и планы городов масштабов 1: 5 ООО - 1: 25 ООО по космическим снимкам высокого разрешения: GeoEye, WorldView-1, QuickBird, IKONOS, SPOT-5, OrbView-3, Alos, IRS.

Апробация работы н реализация результатов исследования.

Основные результаты исследований опубликованы в 3-х научных статьях и 2-х докладах на научно-технических конференциях.

В настоящее время в Сев.-Кав. АГП с использованием разработанной технологии ЦФС «Ortho/Neva» осуществляются производственные работы по обновлению цифровых топографических карт и планов городов масштабов 1: 5 ООО - 1: 25 ООО. За период 2006-2009г.г. выполнены проекты по обновлению цифровой картографической продукции на территорию Северного Кавказа общей площадью свыше 140 ООО км2.

Основные научные положения диссертации реализованы в программном обеспечении ЦФС «Ortho/Neva».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы - 119 страниц машинописного текста, 34 рисунка и 21 таблица. Список литературы включает 104 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дана общая постановка проблемы, обоснована актуальность задачи обновления цифровых карт и планов городов масштабов 1:5 ООО - 1:25 ООО, сформулирована цель работы и предмет исследования, определены научные задачи исследования.

В первой главе «Современное состояние задачи обновлении картографическом продукции в России» выполнен анализ современного состояния задачи обновления картографической продукции в России. По результатам анализа установлено, что в стране отсутствует единая координатная основа для обновления крупномасштабной картографической продукции и выбран путь решения этой задачи.

Сформулированы обобщенные требования к конечной продукции. На их основе определены целесообразные к обработке виды исходных материалов дистанционного зондирования Земли.

Произволен анализ существующих средств обновления с целью определения их соответствия требованиям обработки космических изображений высокого разрешения. Показана целесообразность использования для решения этой задачи ЦФС «Ortho-Neva».

В открытой печати практически отсутствуют сведения о геометрической модели сенсоров спутниковых съемочных систем, необходимых для строгой фотограмметрической обработки их изображений. Поэтому автором, на основе данных тестового полигона, был выполнен ряд экспериментальных исследований на ЦФС «Ortlio/Neva» по обработке снимков наиболее распространенных спутников с целыо определения значений их элементов внутреннего ориентирования.

Использование материалов и данных космического ДЗЗ имеет несколько взаимосвязанных аспектов, включая правовой, научный и экономический, которые исследованы и учтены при разработке методов и технологии процесса обновления.

Официально в настоящее время в качестве опорных систем координат России приняты СК-95 и СК ПЗ-90, а также большое количество местных систем координат (МСК). Однако на практике в территориальных инспекциях государственного геодезического надзора (ТИГГН'а) исполнителями картографических проектов, в соответствии с требованиями заказчиков, по-прежнему востребованы каталоги пунктов государственной триангуляции в системе СК-63. Но данная система, с закрытыми ключами перехода к старой

7

базовой системе СК-42, юридически заменена системой СК-95, которая уже показала недостаточную свою практическую востребованность пользователями.

На основе анализа состояния национальной координатной основы выявлено несоответствие между требуемой точностью обновления картографической продукции масштабов 1:5 ООО - 1:25 ООО и реальной возможностью сохранения точности исходных полевых при использовании существующих координатных систем России. Установлена необходимость создания для каждого района работ своего локального ОаШт'а, устанавливающего непосредственную связь между геодезическими координатными системами МСК и СК \VGS-84.

Во второй главе «Исследование основных этапов обновления крупномасштабных цифровых карт и планов городов с применением ЦФС «ОпМоА'еуа» представлены результаты теоретических исследований, направленные на совершенствование основных этапов технологии обновления крупномасштабной цифровой картографической продукции. Традиционный подход к ЗО-моделированшо рельефа местности заключается в реализации технологической схемы: ТШ-модель о ЦМР, которая включает следующие этапы (см. рис. 1).

Рис. 1. Традиционное ЗО-моделирование рельефа местности.

В начале подготовительного этапа производится сбор и систематизация всей имеющейся информации о рельефе местности на территорию района картографирования. Далее на основе этой информации строится

8

триангуляционная модель высот точек ('ПЫ-модель рельефа) в виде нерегулярных треугольников. Обычно для этой цели используется метод Делоне, который обеспечивает построение треугольников, наиболее близких к правильному виду.

В ТШ-моделях рельефа точки располагаются таким образом, чтобы на основе исходного массива данных построить многогранную поверхность, которая наилучшим образом "огибает" земную поверхность. Исходные точки местности соединяются прямыми отрезками, образующими треугольники, внутри которых земная поверхность аппроксимируется плоскостью. Треугольники соединены между собой и полому ТШ-поверхиость рельефа непрерывна. Отличительной особенностью и преимуществом ТШ-моделей рельефа является то, что в них нет преобразований исходных высот. Поэтому в моделях рельефа этого типа нет привнесенных ошибок, которые содержат ЦМР, построенные па базе интерполяционной функции исходных данных.

ТШ-модели рельефа обладают и другими преимуществами по сравнению с ЦМР. В первую очередь, это то, что расположение точек в них адаптировано по отношению к земной поверхности: на равнинных участках точки расположены реже, а гористых - чаще. Поэтому структуры данных в ТШ-моделях более компактны и экономичны: растровой ЦМР из десятков тысяч точек может соответствовать адекватная по морфологическим характеристикам ТШ-модель рельефа из сотен точек.

На следующем этапе путем преобразования сети треугольников точек ТШ-модели рельефа создается регулярная матрица высот ЦМР. Эта модель рельефа используется для решения задач ГИС-анализа и выполнения ортотрансформирования. Причем в последнем случае фигурируют две матрицы высот: исходная и конечная. Исходная матрица загружается при создании рабочего проекта, конечная непосредственно используется для получения ортоизображения. Шаг исходной матрицы - произвольный, для конечной матрицы он выбирается, исходя из разрешения снимка. Перед началом ортотрансформирования исходная ЦМР преобразуется таким образом,

чтобы каждая ячейка получаемой конечной ЦМР пространственно соответствовала размеру пикселя создаваемого ортоизображения.

Модель рельефа в виде ЦМР имеет свои преимущества перед другими моделями: которые выражаются в быстроте работы алгоритмов интерполяции данных, обусловленной простотой их организации.

Ошибки преобразования высот ЦМР традиционно и вполне оправдано рассматривается как главный фактор, снижающий точность 31)-

моделирования рельефа на их основе:

<*„г„б, - СР- кв. погрешность преобразования Т1Ы-модели рельефа в ЦМР.

Указанные ошибки можно существенно уменьшить, если применить альтернативный метод построения ЦМР непосредственно на основе массива исходных данных. Из анализа математического описания известных методов генерации ЦМР автор выбрал и выполнил теоретические и экспериментальные исследования метода кригинг-процесса, который обеспечивает более высокую точность создания ЦМР за счет отсутствия процесса ошибок преобразования ТГЫ-модели рельефа. Вместо них в кригинг-нроцессе присутствует погрешность интерполяции исходных данных, которые меньше о-„р„>;|1 по величине и поддается априорной оценке:

Кригинг-процесс - это метод статистического прогнозирования высот в узлах ЦМР путем анализа исходных данных. По его результатам выявляются локальные закономерности в скорости изменения высот исходных точек, находящихся в ближайшей окрестности размера г вокруг определяемой узловой точки.

1.В кригинг-процессе каждое имеющееся значение высоты точки и ее достоверность ассоциируются с понятием вариации. При этом за аксиому принимается утверждение, что любое измерение, даже вполне достоверное,

(1)

где <т„, - ср. кв. погрешность исходных данных;

(2)

содержит в своем значении статистическую оценку - (статистику) y(d), которая называется вариацией высоты.

По определению вариация - это неопределенность значения высоты определяемого узла, изменяющаяся от 0 до I (по нормализованной шкале) в пределах отрезка d, соединяющего ее с известной точкой. Если значение высоты абсолютно точно известно, то ее вариация y(d) = 0. Напротив, если какое-то измерение высоты является абсолютно недостоверным, ее вариация y(d) = 1. Математические модели вариации высоты в пределах от 0 до 1 могут быть линейного, параболического или экспоненциального типа. Наиболее простой является линейная модель изменения уровня неопределенности y(d) высоты узловой точки.

2.Указанные закономерности количественно выражаются значениями уровня неопределенности (вариации) высот исходных точек и фиксируются в виде вариограмм. При этом каждое известное значение высоты 11-, из набора исходных данных имеет вариационную функцию y(d,), которая определяется но значениям известных высот в окрестности определяемого узла:

Вариограммы высот исходных точек имеют свои минимумы, совпадающие с известными точками, и максимумы - при выходе за пределы окрестности.

3.11а основе значений последних составляется система коррелат для определения весов известных точек в окрестности определяемой:

где - вариация изменений высоты между известной точкой 1 и

определяемой точкой ) поверхности, находящейся на расстоянии с!^.

4.С учетом вычисленных весов производится интерполяция высоты текущего узла регулярной сетки ЦМР по методу среднего взвешенного:

(3)

Wj(dn) + lV2y(dn) + И^М,) = r(d„) Wj{dn) + Wir{du) + W,y(dn) = y(d2r), \\\y(dyi) + W2y{dn) + W,y{dn) = y(dlf)

(4)

Описанным способом определяются высоты всех узлов ЦМР, несмещенные в пределах выделенной области г, и обеспечивается стационарность процесса генерации поверхности рельефа.

5.При оценке точности создания ЦМР значение ошибки интерполяции а- определяется в соответствии с зависимостью:

(6)

Производственные испытания предложенного способа построения ЦМР были выполнены автором путем моделирования поверхности рельефа по точкам 1-го сегмента и горизонталям векторной карты масштаба 1:25 ООО в районе г. Сочи. Анализ результатов моделирования рельефа показал, что кригинг-процесс обеспечивает хорошие результаты в горной местности в том случае, когда на участке картографирования имеется избыточная информация о высотах точек местности.

В случае недостатка данных, при построении ЦМР могут возникнуть неадекватные грубые «выбросы» в определении высот ее отдельных узлов (рис.2).

1..1" 1| :........ .Л, .. ..... . ■

Рис.2. ЦМР для района Кавказа с неадекватными «выбросами» высот.

Путем анализа массива исходных данных выявлены соответствующие места, в которых недостаточно информации о рельефе. На рис. 3 такие места

(на равнинных участках) отмечены белыми контурами. Как показала практика, избавиться от подобных ошибок возможно путем введения дополнительной информации о высотах точек, а также путем

(.« % 9 и ......['--¿'„^'^и ¡:'........,

Рис.3. Места с недостатком информации отмечены белыми контурами.

увеличения размера г окрестности для текущего узла ЦМР.

В настоящее время работы по обеспечению планово-высотным обоснованием (ПВО) района картографических работ в крупном масштабе осуществляются на базе ОР8-измерений. В этой связи, как было указано выше, возникает задача преобразования различных геодезических координатных систем и, в частности, задача перехода от системы геодезических координат BI.I1 эллипсоида ^'08-84 к местным системам координат МСК различных регионов нашей страны и обратно.

Существующими ГОСТ и нормативными документами по методикам преобразования геодезических координат точек рекомендован переход от одной геодезической системы к другой осуществлять на основе их ортогонального преобразования с применением строгих зависимостей Гельмерта или их упрощенного варианта в виде кососимметрической матрицы.

В случае использования метода Гельмерта на преобразованные координаты

переносятся внутренние деформации исходной системы координат. Т.е. при

переходе в направлении: \VGS-84 => МСК сохраняется высокая внутренняя

точность исходной системы. При этом происходит наилучшая с позиции

13

способа наименьших квадратов вставка преобразованных положений используемых пунктов ГГС в сетку координат системы МСК. При обратном переходе точность положения данных пунктов ГГС не улучшается.

Таким образом, при помощи данного преобразования результаты GPS-измерений обычно могут быть преобразованы в местные системы координат МСК с наименьшими общими смещениями и одновременно с наименьшими внутренними деформациями исходных координат. Поэтому ортогональное преобразование широко применяется на практике.

Однако, в некоторых регионах страны внутренние деформации местных систем координат МСК, как производных системы СК-42, носят нелинейный характер, которые плохо учитываются ортогональным преобразованием. Поскольку малое количество параметров преобразования не может адекватно описать все многообразие существующих деформаций базовой системы СК-42. Поэтому в некоторых случаях ортогональное преобразование координат может не дать нужной точности согласования указанных систем координат.

Наконец, практическое решение данной задачи осложняется тем обстоятельством, что лучшие известные геокалькуляторы как российского производства - "Transco", «Геомастер», так и зарубежного - "Pinacle", "ERDAS" и др. реализуют необходимые вычисления в два этапа по схеме: входная система => базовый эллипсоид => выходная система При этом в качестве базового эллипсоида принимается:

- в России: общеземной эллипсоид ПЗ-90:

- за рубежом: общеземной эллипсоид WGS-84.

При использовании указанных вычислительных средств должны быть введены параметры связи базового эллипсоида с входными и выходными системами. В случае МСК задача трансформирования координат на основе ортогонального преобразования становится неопределенной, поскольку координатная система ПЗ-90 не обеспечена пока официальными параметрами перехода к системам МСК.

По этой причине целесообразно построить новую вычислительную схему, которая связывает обе системы координат непосредственно напрямую:

14

входная система => выходная система

Для згой цели автором предложено использовать общее аффинное преобразование пространственных прямоугольных систем координат [I].

Для сравнительного анализа точностных характеристик исследуемых методов преобразования координат автором были осуществлены две схемы вычислений: па основе преобразования Гельмерта и с использованием предложенного метода аффинных преобразований.

Результаты вычислений по методу Гельмерта Вычисленные параметры локального ЦаШш'а:

АХ = 202 786. 790 м; А У = 9 039.837 м; Аг = - 6 234 498.739 м; сох = 0"03'5б."840; му = - 35" 04' 08."426; шг = 6)" 32' 37."090

1П= 1.000 000

Оценка точности согласования систем координат:

СКОх = ± 0.075 м СКОу = ± 0.053 м СКОх,у = ± 0.092 м СКОн = ± 0.090 м

Результаты вычислений но методу аффинного преобразования

Алгоритм представляет собой линейное преобразование систем координат

МСК <-♦ \VGS-84 па основе зависимостей вида:

X* = амХг + а12Уг + а,32г+а14 Хг | а141

У* = а2,Хг + а22Уг + а23гг + а24 = М • ( Уг ) + | а241, (7)

Н* = а3|Х,. + а32Уг + + а34 Ъг |а34|

где матрица М представляет матрицу направляющих косинусов в функции от углов поворота о)Х, о)у, одной системы координат относительно другой. Вектор (ХГУ,2Г) представлен в геоцентрической системе координат общеземного эллипсоида \VGS-84.

Оценка точности согласования систем координат:

СКОх = ± 0.039 м СКОу = ± 0.002 м СКОх.у = ± 0.039 м СКОн = ± 0.027 м

Вычисленные углы поворота:

0)у = - 36" 19' 59.76", юх = о" ОГ 06.91", тг = - 62" 30' 44.59". Сравнительный анализ результатов выполненных экспериментальных исследований позволяет сделать следующий вывод.

Разработанный метод аффинного преобразования устанавливает связь систем координат МСК и \VGS-84 примерно такого же порядка - в плане и по высоте. При этом метод обеспечивает достаточную точность определения параметров локального ОаШт'а на участке местности размером 50 х 50 км. К его премуществам относится то, что данный способ является более универсальным и точность определения параметров локального ОаШт'а не зависит от типа и взаимного положения систем координат.

При планировании современного развития городских территорий необходима информация о высотах зданий. В настоящее время на практике используются два способа определения высот зданий по изображению одиночного снимка: путем подсчета количества этажей, изобразившихся на наклонной стороне здания, и на основе измерения длины тени здания на местности. Оба способа имеют ограничения по практическому применению и дают примерно одну и ту же приближенную оценку высоты здания, хотя и по разным причинам.

В настоящей работе разработан более точный и производительный способ определения высот зданий на основе результатов непосредственного измерения длины боковой стороны здания по изображению, известным значениям ЭВО снимка и высотам точек местности (участка ЦМР) в районе измеряемого здания На ЦФС в каждый момент времени, с дискретностью Д(, величина которой обусловливается , быстродействием процессора используемого компьютера, решаются два строгих уравнения связи пиксельных координат точки сканерного снимка и геодезических координат соответственной точки местности:

. г а11Х-Х!-Хй) + Ь!(Г'Г$-71) + с,(г-2!-2_5). (8)

щх-х^х^+ь^у-у^у^+с^г-г.-г^'

Принимая во внимание огромные значения тактовой частоты процессоров у современных компьютеров ЦФС, можно с большой долей достоверности утверждать, что вычисления на них производятся практически в реальном времени. Следовательно, на основе результатов решения уравнений (8) для любой точки ориентированного сканерного снимка может быть устанавлено однозначное соответствие между входными значениями геодезических координат Х|,У|,7,| точек местности и вычисляемыми величинами пиксельных координат х,,у, их изображений:

В рассматриваемой задаче для каждого измеряемого здании мы имеем дело с двумя точками: подножием здания 1 и его карнизом 2. Для точки 1 известны все параметры уравнений (8), поскольку ее геодезическая высота Ъ\ определяется из ЦМР в районе здания по исходным плановым геодезическим координатам Хь V, (рис. 4).

Таким образом, задача определения высоты здания по одиночному космическому снимку сводится к измерению пиксельных координат х2,уг точки карниза здания и последующему решению сисгемы из 2-х уравнений вида (8) с одним неизвестным -

Рис.4. Измерение высоты здания. Другими словами, необходимо решить прямую фотограмметрическую

X, X, => Х| У;,

(9)

засечку для точки 2 - карниза здания. Разность значений аппликат Z точек подножия и карниза здания дает его искомую высоту:

A = Za-Z,. (23)

Алгоритм решения данной задачи состоит из следующих операций.

Выполняется внешнее ориентирование снимка по измерениям координат опорных точек и загрузка ЦМР на участок местности в районе измеряемого

здания.

• В ЦМР находится значение высоты точки местности Z, для подножия здания по ее плановым координатам ХЬУ].

• На основе решения уравнений вида (22) для точки подножия здания устанавливается однозначное соответствие координат точки на снимке и местности вида (21). При этом курсор наводится по изображению на т. I подножия здания.

• Оператор постепенно изменяет значение аппликаты Z, в сторону ее увеличения. Поскольку смещение точки на снимке из-за влияния рельефа происходит вдоль направления к точке надира, то курсор начнет двигаться на изображении вверх по ребру наклонной стороны здания до тех пор, пока он не будет наведен на карниз здания. В этот момент времени на основе решения уравнений вида (22 устанавливается аналогичное соответствие координат для т.2 на крыше здания. В результате становится известным значение высоты Z2. Производится решение конечного уравнения (23).

Данный алгоритм реализован в программном обеспечении ЦФС «Ortho/ Neva» в виде специальной утилиты и используется при выполнении картографических проектов на территорию городов, где требуется определение высот зданий.

Практическая проверка предложенного в диссертации способа проводилась путем определения высот (h), 16 тестовых зданий г. Пятигорска по их изображению на снимке QuickBird и сравнения их с данными h, наземных измерений (см. таблицу 1).

Таблица 1

Номер здания А|,= (11)-11 Помер здания Д|,= (11)-11 Номер здания А]|= (11)-Ь Номер здания Д|,= (101)

1 -0.4 5 +0.6 9 + 0.5 13 -0.6

2 -0.8 6 +0.4 10 -0.5 14 -0.7

3 +0.3 7 +0.7 11 -0.4 15 +0.8

4 -0.7 8 -0.3 12 +0.4 16 -0.5

= ± 0.60 м

Результаты сравнения вычисленных и тестовых высот 11 показывают, что точность предложенного метода зависит от точности определения ЭВО сканерного снимка и точности наведения курсора на контур здания. Причем при использовании в качестве ОТ ОРЭ-точек величина последней ошибки преобладает. В целом, по результатам данного эксперимента точность определения зданий колебалась в пределах 0.3-0.8 м.

На основании сказанного можно сделать обобщающий вывод.

С учетом результатов проведенного в АГП эксперимента можно утверждать, что точность предложенного метода определения высот зданий по одиночному космическому снимку сканерного типа составляет порядка 0.5 -1.2 рх! в масштабе обрабатываемого изображения. Это в 2 раза выше точности известного способа определения высот зданий по теням или этажам и более, чем в 6 раз выше способа определения высот с использованием ЯРС-полнномов.

Предложенный способ имеет ограничения по применению только для снимков, снятых в надир.

Экспериментально исследовано теоретическое и экономическое обоснование разработанной технологии обновления векторной карты масштаба 1:25 ООО с применением ЦФС «ОгИю/Ыеуа». В этой связи выполнены работы по созданию локального ОаЦни'а на район г. Сочи, определению элементов внешнего ориентирования спутникового изображения А1оз, построения ТП\1-

модели рельефа по горизонталям с карты масштаба 1:25 ООО и создания ортоизображения. Сравнение полученного ортоизображения с соответствующими фрагментами векторной карты показывает, что точность ее обновления на основе описанной технологии находигся в пределах графической точности: СКОх,у = ± 0.2 мм.

Полученные в процессе экспериментальных работ результаты подтверждают правильность сформулированных в диссертации основных теоретических положений.

В третьей главе дан анализ экономической эффективности технологии обновления цифровых карт и планов городов с применением ЦФС «Ог11ю/1Мауа».

Для обновления картографической продукции на производстве ФГУП «Сев. - Кав. АГП» до последнего времени использовались материалы аэросъемки. С целью сравнения эффективности новой и традиционной технологий были выполнены экспериментальные работы по обновлению цифровых карт с использованием космических снимков. Для выполнения картографического проекта был выбран горный район в окрестностях г. Пятигорска, ограниченный 48 номенклатурными листами масштаба 1:10 ООО, общей площадью порядка 1 ООО км2. В перечень выполняемых работ входили: подбор необходимых исходных материалов, создание цифровых ортофотопланов по космическим изображениям, оценка их точностных и дешифровочных характеристик, а также сравнение этих параметров и сметных затрат с аналогичными параметрами в традиционной технологии.

При расчетах использованы данные СУР-2002, изд. 2003г., табл.11.7 по созданию цифровых ортофотопланов по материалам аэрофотосъемки 4-й категории трудности. Стоимость создания цифровых ортофотопланов по материалам космической съемки были определены прямым расчетом, с использованием Временных норм на создание ортофотопланов по космическим фотоснимкам с помощью системы «ОгШо/Ыеуа», утвержденных приказом генерального директора ФГУП «Сев. - Кав. АГП» 01.08.06 года. Для более точного сравнения расчеты на создание ортофотопланов по космическим

20

снимкам были приведены к уровню 2003 года с минимальной заработной платой в размере 700 рублей и единым социальным налогом в размере 37,4%. Размер накладных расходов составлял 40% и рентабельность - в пределах 10%.

Создание цифровых ортофотопданов по традиционной технологии состоит из следующих основных производственных процессов:

Таблица 2

Наименование Стоимость снимков, руб. Стоимость работы, руб. Трудозатраты, техи/мес.

Создание цифровых ортофотопланов м-ба 1:10 000 по материалам аэро-фотосъемки м-ба 1:25 000, 1452 мм 827 000 447 482 6.64

Для создания цифровых ортофотопланов были выбраны 5 космических цветных изображений со спутника QuickBird съемки 2006г., с уровнем начальной обработки Basic, наиболее сравнимых по дешифровочным свойствам с материалами аэросъемки (R = 0.6 м). Планово-высотная подготовка района работ производилась путем определения по векторным картам геодезических координат опорных точек в картографической системе 1Гева. Для внешнего ориентирования космических снимков использовалось 20-25 опорных точек для каждого кадра. Построение TIN-моделей рельефа производилось но оцифрованным в системе Нева горизонталям, формат . DXF, сечение рельефа 5 м.

Соответствующая технологическая схема включает следующие основные процессы:

1. Получение и преобразование к исходному виду материалов космической съемки.

2. Подготовка схемы расположения опорных точек для внешнего ориентирования космических снимков в программе «PHOTOSHOP».

3. Планово-высотная подготовка района картографирования.

4. Создание ТШ-моделей рельефа по горизонталям векторной карты масштаба 1.10 ООО в цифровой системе «СМЬо/Ыеуа».

5. Ортотрансформирование космических изображений в системе «ОгИюЛЧеуа» и создание картографической основы по цифровым ортоизображениям.

6. Полевое обследование обновленной картографической основы.

Контроль точности полученных ортофотопланов (СКПо6щ = ± 2.1 м) показал их соответствие точностным характеристикам, требуемым по нормативам.

В результате произведенных расчетов получены следующие данные. Таблица 3___

Наименование Стоимость снимка, руб. Стоимость работы, руб. Трудозатраты, техн/мес.

Создание цифровых ортофотопланов м-ба 1:10 ООО по материалам космосъемки 640 620 121 513 4.78

Таким образом, преимущества разработанной технологии обновления картографической продукции на основе обработки материалов космической сьемкн с помощью цифровой системы «ОгЛо/Ыеуа» - отсутствие разрешения на проведение съемки, получение материалов съемки сразу в цифровом виде, меньший объем исходных данных на одинаковую площадь, сокращение работ по полевой привязке исходных снимков - дополняются экономией времени в 1.39 раза, экономией финансовых затрат в 1,44 раза.

В заключении приведены основные результаты работы:

1 .Разработана технологическая схема обновления цифровых карг и планов

городов масштабов 1:5 ООО - 1:25 ООО по космическим снимкам высокого и

сверхвысокого разрешения с применением ЦФС «ОгИю/Ыеуа» на основе новых

методов их фотограмметрической обработки. Применение указанной

технологии на производстве Сев.-Кав. АГП позволило повысить

22

производительность труда в 1.39 раза и снизить финансовые затраты в 1,44 раза Основные теоретические положения разработанной технологии апробированы в процессе обработки производственных материалов и реализованы в программном обеспечении ЦФС «Ortho/Neva», защищенной авторским свидетельством № 2006612680 от 28 июля 2006 г. В разработке и внедрении данной ЦФС автор принимал непосредственное участие [ ].

2.Разработана методика сохранения в технологическом процессе обновления уровня точности исходных GPS-измсреннй от начального этана до конечного продукта, базирующаяся на создании для каждого района работ своего локального Datiim'a. Обоснованы теоретические положения предложенного способа определения параметров локального Datum'a на основе аффинного преобразования, который реализован в координатном калькуляторе ЦФС «Ortho/Neva». Произведена апробация способа путем определения численных значений параметров локального Dalum'а между МСК и WGS-84 для г. Челябинска.

3.Предложен строгий метод измерения высот зданий по одиночному спутниковому изображению, позволяющий повысить точность фотограмметрических определений в 2-6 раз. Выполнено теоретическое обоснование и реализация предложенного способа в программном обеспечения ЦФС «Ortho/Neva». Разработанный метод опубликован автором и апробирован при выполнении картографических проектов по обновлению топографических навигационных планов городов масштаба 1:10 000 по заказам Роскартографии и мобильных телефонных компаний.

4.Разработана методика ЗО-моделирования рельефа местности по методу кригинг-процесса на основе информации о высотах дискретных точек местности. Указанная методика позволяет производить быструю генерацию ЦМР за один проход и повышает производительность на 40-50%. Производственные испытания данного способа, выполненные автором для территории Ставропольского края площадью 140 000 км2, показали, что он обеспечивает точность восстановления рельефа в пределах 0.3-0.5 м.

5.Получены результаты экспериментальных работ с целью калибровки

23

неизвестных значений элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимков для 10-ти наиболее распространенных в России коммерческих спутников ДЗЗ. Полученные автором параметры калибровки позволяют применять строгую модель снимка при фотограмметрической обработке материалов космической съемки.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Погорелов В.В., Шавук B.C. Создание локального Datum'a иа территорию картографического проекта. М.,«Геодезия и картография», № 7, 2007.

2. Погорелов В.В., Шавук B.C. Теоретическое обоснование способа измерения высот зданий по одиночному спутниковому изображению. М., «Геодезия и картография», № 4, 2008.

3. Погорелов В.В., Шавук B.C. Анализ математических моделей при фотограмметрической обработке космических снимков. М.,«Геодезия и картография», № 3, 2009.

4. Погорелов В.В., Шавук B.C. Использование спутниковой навигации транспортных средств для различных потребителей. Международный транспортный форум "Транспорт России - 2007".Сочи, 2007.

5. V.V. Pogorelov. Maps for tourism. Moscow, IV Международный конгресс геодезистов и картографов. 2007.

6. Чекалин В.Ф., Семененко A.A., Аксенов А.Л., Погорелов В.В., Шавук B.C., Воробьев Ю.Д. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 200 661 2680 от 28 июля 2006г. Система «Ortho/Neva», v. 1.0.

Подписано в печать 08.10.2009. Гарнитура Тайме Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5 усл. печ. л. Тираж 80 экз. Заказ №276 Цена договорная Отпечатано в типографии МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Погорелов, Вячеслав Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАДАЧИ ОБНОВЛЕНИЯ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ В РОССИИ

1.1. Правовые, научные и экономические аспекты задачи обновления картографической продукции в России.

1.2. Анализ существующих материалов и данных космического

ДЗЗ для обновления картографической продукции.

1.3. Оценка состояния национальной координатной основы цифровых карт и планов городов России

Выводы.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ ОБНОВЛЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ЦИФРОВЫХ КАРТ И ПЛАНОВ ГОРОДОВ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦФС «ОгЙю/Ыеуа»

2.1. ЗО-моделирование рельефа местности.

2.1.1. Моделирование рельефа по схеме: ТШ-модель <=> ЦМР.

2.1.2. Генерация ЦМР на основе кригинг-процесса.

2.2. Исследование методов создания локального ОаШш'а для систем координат МСК и \VCrS-84.

2.2.1. Создание локального Оайип'а на основе преобразования Гельмерта.

2.2.2. Создание локального ОаШш'а на основе аффинного преобразования.

2.3. Теоретическое обоснование строгого способа измерения высот зданий по одиночному космическому снимку.

2.4 Исследование технологии обновления цифровой карты с применением ЦФС «ОгЙю/Ыеуа».

Выводы.

Глава 3. АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОБНОВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ КАРТ И ПЛАНОВ ГОРОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦФС «ОгШоЛЧеуа».

Вывод.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование технологии обновления крупномасштабных цифровых карт и планов городов с применением ЦФС "Ortho/Neva""

Одним из важнейших вопросов начала XXI века для России является процесс хозяйственного освоения ее природных ресурсов и территорий. Современные проблемы страны - интеграция в мировое сообщество, демографический и экономический кризисы, информатизация и переход к ускоренным формам развития ставят многие неотложные задачи перед ее наукой и производством, касаясь непосредственно и прикладных научных дисциплин - топографии, геодезии и картографии.

В последние два десятилетия состав используемых в этих сферах средств и технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) очень сильно изменился. Возникли принципиально новые средства измерений и методы обработки их данных: быстро развивающиеся средства съемки из космоса, системы глобального позиционирования (СГП) объектов местности: ГЛОНАСС и GPS, географические информационные системы (ГИС). На рынке данных ДЗЗ прочно утвердились цифровые сканерные снимки высокого и сверхвысокого разрешения, получаемые с коммерческих спутников, которые серьезно потеснили традиционно используемые аэрофотосъемочные материалы.

В области аэросъемки также произошли значительные изменения: разработаны новые, более совершенные средства и технологии получения данных в цифровом виде - цифровые аэрокамеры, воздушное лазерное сканирование, мультиспектральная и тепловая съемка местности, сверхмалые летательные аппараты и др. В настоящее время, оба эти рыночных сегмента продолжают свою конкурентную борьбу и на практике их материалы и данные ДЗЗ, как и раньше, дополняют друг друга.

Изменилось и содержание процесса картографирования. Одновременно с резким сокращением выпуска традиционных бумажных топографических карт востребованы, производятся и используются, как самостоятельные, картографические продукты нового типа: ЦМР, TIN-модели рельефа, цифровые ортоизображения, цифровые карты и планы, ЗБ-модели местности.

Как следствие, традиционные фонды картографической продукции в бумажном виде постепенно уступают место цифровым базам данных различного назначения, создаваемых в рамках Федеральной Государственной Программы «Электронная Россия» [75]. В настоящее время в рамках ее федеральных подпрограмм: «Создание автоматизированной системы ведения государственного земельного кадастра и государственного учета объектов недвижимости (2002-2007 годы)» и «Создание системы кадастра объектов недвижимости (2006-2011годы)» активно ведутся работы по землеустройству и земельному кадастру. Для проведения указанных работ необходима актуальная, полная, объективная и точная картографическая основа.

Однако большая часть картматериалов России создана в 80-х годах прошлого века на бумажной основе и требует обновления. В масштабе страны по-прежнему нет процесса обновления бумажных топографических карт. Причина состоит в том, что исходные съемочные материалы обрабатываются в настоящее время различными программными пакетами в соответствии с требованиями существующих ведомственных Классификаторов [105]. Предписываемые ими правила цифрования составляющих ГИС-слоев цифровой карты не соответствуют требованиям к содержанию издательских оригиналов [102,104], в связи с чем получаемые продукты цифровой обработки должны быть существенно переработаны [103]. И если содержание карт очень сильно устарело, то становится более экономичным создавать издательские оригиналы заново. Как следствие этого, бумажные топографические карты в настоящее время в России в основном не обновляются, а создаются «с нуля», что явно нерационально.

Сказанное обусловливает необходимость разработки Единых правил цифрования составляющих ГИС-слоев карты, которые должны удовлетворять и процессу отображения цифровых карт на мониторах и одновременно процессу их издания.

Таким образом, обновление бумажных топографических карт в текущий момент времени существенно отстает на практике от требуемого объема из-за более высоких темпов старения их содержания. Т.е. при сложившейся ситуации обновление видов картографической продукции крупного масштаба может быть своевременно осуществлено только для цифровых карт и планов городов на базе применения современных ЦФС, что и определяет актуальность выбранной темы диссертации.

Значительный вклад в решение данной задачи внесли проф., д.т.н. Журкин И.Г., проф., д.т.н. Бугаевский JI.M., проф., д.т.н. Вахрамеева Л.А., проф., д.т.н. Портнов A.M., д.т.н. Алчинов А.И., д.т.н. Аковецкий В.А., д.т.н. Мышляев В.А., к.т.н. Михайлов А.П., к.т.н. Кузовков О.Н., к.т.н. Лавров В.Н. и др.

Современные понятия мониторинг территорий и обновление карт тесно связаны друг с другом. Мониторинг земель и городских территорий предшествует процессу обновления и предполагает постоянное наблюдение за происходящими на них изменениями. Как только величина произошедших изменений превысит установленный нормативными документами уровень, то на данную территорию уже требуется обновление картографической продукции. При этом выбор вида обновляемой продукции на практике неоднозначен, поскольку на современном этапе область интересов государственных и коммерческих организаций, как потенциальных Заказчиков картографических проектов, далеко не всегда совпадает.

Например, планы Роскартографии предусматривают планомерное обновление всего масштабного ряда топографических карт на всю территорию страны, в то время как для коммерческих организаций, в первую очередь, востребованы цифровые ЗБ-модели местности городских территорий и их составляющие: ЦМР и ортоизображения. Причем существующий правовой статус накладывает определенные ограничения на возможности оперативного получения и использования материалов аэросъемки.

По этой причине выполнение картографических проектов обновления становится все более целесообразным производить на основе спутниковых изображений высокого и сверхвысокого разрешения. В частности, для Сев.-Кав. АГП наиболее актуальной является задача обновления цифровой картографической продукции по космическим снимкам в диапазоне масштабов !: 5 ООО - 1: 25 ООО.

Геометрические свойства цифровых спутниковых изображений радикальным образом отличаются от геометрии изображения традиционных аналоговых аэрофотоснимков [98,111]. Это делает актуальным разработку соответствующих методов и средств их обработки. В этой связи, по инициативе автора, на Сев. - Кав. АГП в период 2005 - 2006 г.г. была разработана и внедрена ЦФС «Ortho-Neva», которая предназначена для обновления цифровых карт и планов городов по космическим снимкам сканерного типа. В разработке и внедрении на производство АГП этой системы автор принимал непосредственное участие [67].

Научные материалы разработки данной ЦФС и результаты ее эксплуатации на Сев. - Кав. АГП легли в основу темы и предмета научных исследований настоящей диссертационной работы.

Диссертация включает оглавление, введение, три главы, заключение и список использованной литературы.

Заключение Диссертация по теме "Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия", Погорелов, Вячеслав Викторович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

Теоретическое обоснование альтернативной методики быстрой генерации ЦМР путем выполнения кригинг-процесса на основе высот дискретных точек, орографических линий и GPS-треков.

1. Процесс ЗО-моделирования рельефа является одним из важнейших этапов технологии обновления картографической продукции. В этой связи исследованы основные теоретические положения метода ЗБ-моделирования рельефа при традиционном подходе по схеме: TIN-моделъ <=> ЦМР. Отмечены основные достоинства и недостатки данных математических моделей рельефа. Выведена формула для оценки точности конечного продукта при традиционном способе моделирования рельефа. В результате выполненных исследований установлено, что точность исходных высотных данных сохраняется при построении TIN-модели рельефа и существенно снижается на втором этапе технологии — при преобразовании TIN-модели рельефа в ЦМР.

С целью повышения точности и сокращения потребного времени ЗБ-моделирования рельефа предложено использовать новый метод кригинг-процесс, который по сравнению с традиционным подходом позволяет создавать ЦМР за один проход. Предложенный метод основан на выявлении статистических закономерностей скорости изменения высот исходных данных в окрестности текущего узла ЦМР и использовании их для прогноза высоты последнего. Систематизированы основные теоретические положения этого метода и разработана методология его применения с использованием цифровой системы «Ortho/Neva». Выведена формула для оценки точности создания высот модели рельефа при кригинг-процессе.

2. Разработана методика подготовки планово-высотного обоснования территории картографического проекта, базирующаяся на создании для каждого района работ своего локального Datum'а путем установления строгой математической связи между исходной системой МСК и СК WGS-84. Цель методики - сохранение уровня точности исходных GPS-измерений в процессе движения измерительной информации по технологии обновления от начального этапа до конечного продукта.

Выполнен научный анализ по установлению целесообразного вида уравнений связи между местными системами координат МСК и системой координат WGS-84. Показано, что рекомендованный для указанной цели ГОСТ вид математических уравнений связи на основе ортогонального преобразования Гельмерта не всегда обеспечивает заданную точность согласования из-за наличия существенных нелинейных деформаций исходной системы МСК. Кроме того, его применение требует больших предварительных преобразований координат.

Установлено также, что другой способ ГОСТ преобразования координат на основе кососимметрической матрицы некорректен для данного случая преобразования МСК, поскольку он может быть использован только для систем, близких друг к другу по взаимному угловому ориентированию - в пределах 1-2°. Между тем, угловое различие в ориентировке одноименных осей систем МСК и СК WGS-84 может составлять несколько десятков градусов.

Обоснованы теоретические положения предложенного способа определения параметров локального Datum'а на основе аффинного преобразования исходной системы координат. Результаты апробации разработанного в диссертации метода аффинного преобразования местной системы координат МСК и СК WGS-84 для региона г. Челябинска показали, что с его помощью устанавливается связь указанных систем координат с точностью порядка 5 -10 см в плане и примерно 10-20 см по высоте. При этом метод обеспечивает указанную точность определения параметров локального Datum'a на участке местности размером 50 х 50 км.

К его преимуществам относится также то, что данный способ является универсальным и точность определения параметров локального Datum'a не зависит от типа и взаимного положения исходной и заданной систем координат. Он может быть рекомендован к практическому использованию в тех случаях, когда вследствие наличия нелинейных деформаций исходной системы МСК создание локального Datum'а на основе ортогонального преобразования не приводит к необходимой точности согласования систем координат.

3. Разработан строгий и производительный метод определения высот зданий по одиночному космическому снимку. Теоретическое обоснование предложенного способа базируется на измерении разностей AX,AY,AZ в пространственном положении курсора при наведении на крышу и подножие здания и преобразовании их в высоту здания путем решения системы уравнений прямой фотограмметрической засечки по методу МНК. Сформулированы условия корректного применения данного метода — наличие информации о рельефе для местоположения здания, элементах внешнего ориентирования снимка и измеренных координатах х,у снимка для подножия и карниза здания.

Теоретические исследования предложенного способа показали, что он обеспечивает точность определения высот зданий в 2 раза выше, чем известные способы аналогичных фотограмметрических определений по теням и количеству этажей здания и в 6 раз точнее аналогичного способа на основе коэффициентов RPC-полиномов. Разработанный способ практически не имеет ограничения по применению.

4. Теоретическое обоснование разработанной технологии апробировано на примере обновления векторной карты масштаба 1:25 ООО г. Сочи. В этой связи выполнены экспериментальные работы по созданию локального Datum'а на данный регион, определению элементов внешнего ориентирования спутникового изображения Alos и построения TIN-модели рельефа по горизонталям, оцифрованным по топографической карте масштаба 1:25 ООО. Полученные в процессе экспериментальных работ результаты обновления карты по точности соответствовуют требованиям нормативных документов для данного масштаба и, тем самым, подтверждают правильность сформулированных в диссертации основных теоретических положений.

Глава 3. АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОБНОВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ КАРТ И ПЛАНОВ ГОРОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ «ОпЬоЛЧеуа»

Для обновления картографической продукции на производстве ФГУП «Сев. - Кав. АГП» до последнего времени использовались материалы аэросъемки. Главным недостатком аэроснимков является небольшой захват местности при съемке, что приводит к увеличению количества отснятых снимков и соответственно времени их обработки. Имеются также большие трудности в практической организации летно-съемочных работ. В этой связи по инициативе руководства Сев.-Кав. Предприятия в 2006 г. была разработана и внедрена в производство цифровая система «ОгЙю/Ыеуа», которая позволила выполнять процесс обновления картографической продукции на основе обработки современных космических изображений.

С целью сравнения эффективности новой и традиционной технологий были выполнены экспериментальные работы по обновлению цифровых карт с использованием космических снимков. Для выполнения картографического проекта был выбран горный район в окрестностях г. Пятигорска, ограниченный 48 номенклатурными листами масштаба 1:10 ООО, общей площадью порядка 1 ООО км". В перечень выполняемых работ входили: подбор необходимых исходных материалов, создание цифровых ортофотопланов по космическим изображениям, оценка их точностных и дешифровочных характеристик, а также сравнение этих параметров и сметных затрат с аналогичными параметрами в традиционной технологии.

При расчетах использованы данные Руководства СУР-2002, изд. 2003 г., табл. 11.7 по созданию цифровых ортофотопланов по материалам аэрофотосъемки 4-й категории трудности. Стоимость создания цифровых ортофотопланов по материалам космической съемки были определены прямым расчетом, с использованием Временных норм на создание ортофотопланов по космическим фотоснимкам с помощью системы «ОгЙюЛЧеуа», утвержденных приказом генерального директора ФГУП «Сев. - Кав. АГП» 01.08.06 года. Для более точного сравнения расчеты на создание ортофотопланов по космическим снимкам были приведены к уровню 2003 года с минимальной заработной платой в размере 700 рублей и единым социальным налогом в размере 37,4%. Размер накладных расходов составлял 40% и рентабельность - в пределах 10%.

Создание цифровых ортофотопланов по традиционной технологии состоит из следующих основных производственных процессов:

1. Получение исходных материалов аэросъемки масштаба 1:25 000 с фокусным расстоянием 152 мм.

2. Изготовление фотосхем.

3. Сканирование негативов аэрофотоснимков и инвертирование оптической плотности цифрового изображения.

4. Планово-высотная подготовка аэрофотоснимков.

5. Сгущение планово-высотной сети на основе фототриангуляции.

6. Изготовление цифровых ортофотопланов и создание на их основе цифровой картографической основы.

7. Полевое обследование по аэрофотоснимкам.

В результате выполненных расчетов получены следующие данные:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При постановке задачи исследований настоящая диссертационная работа включает научный анализ причины отсутствия в России на текущий момент времени производства обновления бумажных топографических карт. Выявлена основная причина данного явления, заключающаяся в том, что современные цифровые технологии обработки снимков используют правила цифрования составляющих ГИС-слоев цифровой карты, которые не соответствуют требованиям их издания. Поэтому в случае возникновения в процессе обновления необходимости издания бумажных топографических карт вся работа по созданию таких слоев выполняется заново по другим правилам.

Таким образом, в стране сложилась ситуация, при которой фактически отсутствует обновление бумажных топографических карт. И, следовательно, применительно к производству обновления картографической продукции России речь может идти только об обновлении цифровых карт и планов городов с применением ЦФС, что обусловливает актуальность выбранной темы диссертации автора.

Рассмотрены научные, правовые и хозяйственные аспекты деятельности городских муниципалитетов и определен круг востребованных картографических проектов АГП в рамках государственных и коммерческих программ. В этой связи предметом научного исследования диссертационной работы автора выбрано исследование технологии обновления цифровых карт и планов городов масштабов 1:5 ООО — 1:25 ООО на основе спутниковых изображений высокого разрешения. Показано, что ее решение, основанное на применении спутниковых изображений, по сравнению с аэросъемкой имеет существенные преимущества: меньшая стоимость, большая оперативность и отсутствие правовых ограничений при заказе съемки картографируемой территории. Сформулированы требования к характеристикам исходных спутниковых изображений и определен перечень их видов, перспективных для решения поставленной задачи.

В этой связи выполнен анализ современных рыночных материалов и данных космического ДЗЗ высокого и сверхвысокого разрешения: GeoEye, WorldView-1, QuickBird, IKONOS, OrbView-3, SPOT-5 и Alos. Доказано, что строгая фотограмметрическая обработка указанных спутниковых изображений может быть осуществлена только на основе применения цифровой системы.

Произведен сравнительный анализ технических характеристик и функциональных возможностей существующих на рынке России цифровых фотограмметрических систем. Установлено, что ни одна из них в полной мере не удовлетворяет необходимым требованиям. В связи с чем возникает задача адаптации основных этапов технологии обновления на программные и технические средства цифровой системы нового типа. Такой системой, системой технологического типа, является цифровая фотограмметрическая система «Ortho/Neva», защищенная авторским свидетельством № 2006612680 от 28 июля 2006г., которая была создана Сев. - Кав. АГП совместно с ЗАО УНИНТЕХ, г. Москва. В разработке программного обеспечения данной системы автор принимал непосредственное участие [ ].

Исследовано состояние национальной координатной основы России. Установлено, что исторически в нашей стране сложилась такая ситуация, когда единой координатной основы для крупномасштабного картографирования в текущий момент времени не существует. Как следствие этого, при использовании существующих координатных систем России возникает несоответствие между требуемой точностью обновления измерительных документов масштабов 1:2 000 — 1:25 000 и реальной возможностью сохранения точности исходных GPS-измерений в соответствующих технологических процессах.

Для устранения данного противоречия предложено для каждого района работ подготовку планово-высотную подготовку производить путем создания своего локального Datum'a между координатными системами WGS-84 и МСК на основе их. Для этой цели автором разработан и реализован математический аппарат аффинного преобразования соответствующих систем координат.

Практическая апробация предложенного метода на примере сопряжения координатных систем МСК и СК WGS-84 региона г.Челябинска показала, что таким способом достигается достаточная точность взаимного преобразования координатных систем порядка 5-10 см в плане и 15-25 см по высоте.

Дополнительно также выявлено, что определение обобщенных значений параметров преобразования локального Datum'a с указанной точностью сохраняется для территорий радиусом не свыше 50-80 км.

Исследованы основные теоретические положения создания цифровых представлений рельефа в виде ЦМР и TIN-моделей, традиционно создаваемых на основе триангуляции Делоне. Определены достоинства и недостатки использования каждого из указанных продуктов для целей обновления цифровых карт и планов городов. С целью повышения точности и производительности труда при создании ЦМР и TIN-моделей рельефа предложено использовать новый метод - кригинг-процесс. Описано теоретическое обоснование данного метода, которое реализовано на соответствующем этапе технологии обновления цифровых карт и планов городов с применением ЦФС «Ortho/Neva».

Разработанная технологическая схема адаптирована на технические параметры спутниковых изображений высокого разрешения: GeoEye, WorldView-1, QuickBird, IKONOS, OrbView-3, SPOT-5, KVR-1000, Alos и современные формы представления исходных материалов как в векторном, так и в растровом виде. В этой связи определенные автором элементы внутреннего и внешнего ориентирования для 10 современных видов космических снимков (разд. 1.2) автоматически загружаются при выполнении технологического процесса по созданию проекта на ЦФС «Ortho/Neva».

Также разработана методика преобразования 11-битового представления исходного изображения в стандартное 8-битовое представление. Указанная методика реализована в виде отдельной утилиты программного обеспечения ЦФС «Ortho/Neva».

Разработан строгий метод определения высот зданий по одиночному снимку. Теоретическое обоснование предложенного способа базируется на измерении разностей ДХ,АУ,А2 в пространственном положении курсора при наведении на крышу и подножие здания и преобразовании их в высоту здания путем решения системы уравнений прямой фотограм-метрической засечки по методу МНК. Сформулированы условия корректного применения данного метода - наличие информации о рельефе для местоположения здания, элементах внешнего ориентирования снимка и измеренных координатах х,у снимка для подножия и крыши здания.

Теоретические исследования предложенного способа показали, что он более производителен и обеспечивает точность определения высот зданий в 2 раза выше, чем известные способы аналогичных фотограмметрических определений по теням и количеству этажей здания и 6 раз выше точности метода ИРС-полиномов. Разработанный способ имеет меньшие ограничения по применению, чем известные способы.

Предложенный способ включен в состав программного обеспечения ЦФС «ОЛЬоЛ^еуа» и используется Сев.-Кав. АГП при выполнении коммерческих проектов.

Выполнен большой объем производственных работ по определению эффективности разработанных методов и технологии обновления цифровых карт и планов городов, включая полевые и камеральные работы. Результаты выполненного в диссертации их технико-экономического анализа показали, что технология обновления цифровых карт и планов городов с применением ЦФС «ОгИю/Ыеуа», включающая авторские модификации соответствующих ее этапов, позволяет эффективно обрабатывать все известные космические изображения высокого и сверхвысокого разрешения.

Научная новизна работы в рамках предмета исследований автора заключаются в следующем:

1. Разработана технологическая схема обновления цифровых карт и планов городов масштабов 1:5 ООО - 1:25 ООО по космическим снимкам высокого и сверхвысокого разрешения с применением ЦФС «Ortho/Neva» на основе новых методов их фотограмметрической обработки. Применение указанной технологии на производстве Сев.-Кав. АГП позволило повысить производительность труда в 1.39 раза и снизить финансовые затраты в 1,44 раза. Основные теоретические положения разработанной технологии апробированы в процессе обработки производственных материалов и реализованы в программном обеспечении ЦФС «Ortho/Neva», защищенной авторским свидетельством № 2006612680 от 28 июля 2006 г. В разработке и внедрении данной ЦФС автор принимал непосредственное участие [ ].

2. Разработана методика сохранения в технологическом процессе обновления уровня точности исходных GPS-измерений от начального этапа до конечного продукта, базирующаяся на создании для каждого района работ своего локального Datum'а. Обоснованы теоретические положения предложенного способа определения параметров локального Datum'a на основе аффинного преобразования, который реализован в координатном калькуляторе ЦФС «Ortho/Neva». Произведена апробация способа путем определения численных значений параметров локального Datum'a между МСК и WGS-84 для г. Челябинска.

3. Предложен строгий метод измерения высот зданий по одиночному спутниковому изображению, позволяющий повысить точность фотограмметрических определений в 2-6 раз. Выполнено теоретическое обоснование и реализация предложенного способа в программном обеспечения ЦФС «Ortho/Neva». Разработанный метод опубликован автором [ ] и апробирован

-при выполнении картографических проектов по обновлению топографических навигационных планов городов масштаба 1:10 000 по заказам Роскартографии и мобильных телефонных компаний.

4. Разработана методика ЗО-моделирования рельефа местности по методу кригинг-процесса на основе информации о высотах дискретных точек местности. Указанная методика позволяет производить быструю генерацию

ЦМР за один проход и повышает производительность на 40-50%. Производственные испытания данного способа, выполненные автором для территории Ставропольского края площадью 140 ООО км , показали, что он обеспечивает точность восстановления рельефа в пределах 0.3-0.5 м. 5. Получены результаты экспериментальных работ с целью калибровки неизвестных значений элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимков для 10-ти наиболее распространенных в России коммерческих спутников ДЗЗ. Полученные автором параметры калибровки позволяют применять строгую модель снимка при фотограмметрической обработке материалов космической съемки.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Погорелов, Вячеслав Викторович, Москва

1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. М.: 2002г.

2. Инструкция по дешифрированию аэрофотоснимков и фотопланов в масштабах 1:10 000 и 1:25 000 для целей землеустройства, государственного учета земель и земельного кадастра. М.: 1978 г.

3. Лисицкого. М.: Картгеоцентр Геоиздат, 1993.27. 69. Лобанов А.Н. Аэрофототопография. М.:Недра,1971.- 560с.

4. Часть 1. Составление и подготовка к изданию топографических карт масштабов 1:25 000,1:50 000,1:100000. Изд. РиО ВТС. М., 1978.

5. Самратов У.Д. О концепции создания Межотраслевой системы спутниковогопозиционирования Российской Федерации — проект RUPOS. Информационный бюллетень. №2 (49), 2005г., ГИС-ассоциация, г. Москва.

6. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. М.: ИКФ «Каталог», 2002.51. 85. Серапинас Б.Б. Основы спутникового позиционирования. М.: МГУ, 1998.52. 89. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1992.

7. Scanners". "Geodesy and Kartography". Vol.54, № 4, 2005, p.p. 191-203.104. 107. http://edcdaac.usgs.gov/gtopo30/gtopo30.html.

8. SRTM 90 m Digital Elevation Data. — http://srtm.csi.cgiar.org.1. Добавления

9. Д1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. М.: ЦНИИГАиК, 2002.

10. Д2. Инструкция по топографическим съемкам в масштабах 1:10000 и 1:25000. Полевые работы. -М.: Недра, 1978.

11. ДЗ. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500.- М.: Недра, 1982.

12. Д4. Luong Chih Ке, Wieslaw Wolniewicz. Model's of the Geometry of Space Cameras, "Geodesy and Cartography", Vol. 54, № 4, 2005, p.p. 191-203.