Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование технологии геоинформационного обеспечения объектов недвижимости железных дорог методами дистанционного зондирования

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии геоинформационного обеспечения объектов недвижимости железных дорог методами дистанционного зондирования"

На правах рукописи Гебгарт Андрей Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕДВИЖИМОСТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ МЕТОДАМИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.35 - Геоинформатика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 пси

Москва-2008 г.

003458251

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре кГеодезия, геоинформатика и навигация»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор Ниязгулов Урал Давлетшиевич

доктор технических наук, профессор Цветков Виктор Яковлевич

Ведущая организация:

кандидат технических наук Гурин Сергей Евгеньевич

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский и проектно-конструкгорскнй институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (ОАО «НИИАС»)

Защита состоится 18 декабря в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.11 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, 15, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан 18 ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Быков Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На железнодорожном транспорте недвижимость объединяет здания, сооружения, земли в полосе отвода и многолетние насаждения. Недвижимое имущество, составляющее основу инфраструктуры железнодорожного транспорта, включает Как производственные, так и непроизводственные основные фонды. Перечень недвижимости, входящий в состав Производственных фондов весьма обширен. Это железнодорожные пути, вокзалы, локомотивные и вагонные депо, тяговые подстанции, мойки, очистные сооружения и другие многочисленные объекты. К недвижимости непроизводственного назначения относятся жилые дома, высшие и средние учебные заведения, школы, больницы, клубы, и т.д. 1 октября 2003 года на базе имущества Министерства путей сообщения Российской Федерации в рамках реформы железнодорожного транспорта создано ОАО «РЖД» с уставным капиталом более 1,5357 трлн. руб. 100% акций принадлежит государству. Эффективное управление крупными объектами, как ОАО «РЖД», невозможно решить без использования автоматизированных информационных технологий. Автоматизированная система управления недвижимости строится на основе геоинформатики, систем автоматизированного проектирования (САПР), и мощной системы управления базами данных (СУБД).

Для создания «Кадастра железных дорог», включающего совокупность пространственно-временных, количественных и качественных показателей, характеризующих существующее состояние и использование инфраструктуры железнодорожного транспорта, как единого производственно-технического комплекса, требуется данные обо всех видах недвижимого и движимого имущества, в том числе о территориях полосы отвода и охранных землях.

Основным методом получения информации для этих целей является дистанционное зондирование. При этом, для получения пространственных данных об объектах недвижимости, в основном, используют материалы аэросъемки. Аэроснимки представляют собой объективный и полный фотообраз земной поверхности и по ним можно получить качественную (визуальную) и количественную (метрическую) информацию. В целях повышения экономических показателей применения материалов

аэросъемки совершенствуются съемочная аппаратура, материалы для съемки и технология обработки результатов съемки.

Одним из направлений повышения эффективности использования результатов аэросъемки является применение мелкомасштабных снимков и их цифровая обработка. Обработка мелкомасштабных аэроснимков для обеспечения крупномасштабных планов (1:500 - 1:2000) с большими коэффициентами увеличения предопределяет необходимость обработки снимкой по фрагментам (частям). Полноценное использование фрагментов требует знаний их геометрических особенностей, имеющих свои качественные отличия, поскольку связанны с взаимным положением точек только в пределах фрагмента. Правильный учет этих отличий существенно расширяет возможности применения фотограмметрических методов для получения пространственных данных по аэроснимкам с большими коэффициентами увеличения.

Актуальность определяется тем, что возможность повышения коэффициентов увеличения (трансформирования) дает соответствующий экономический выигрыш. В этом случае соответственно сокращаются объемы работ по аэросъемке, привязке снимков, фототриангуляции и т.д., что ускоряет и удешевляет получение конечной продукции. Использование фрагментов снимка позволяет увеличить коэффициент трансформирования. Поэтому исследования геометрических особенностей фрагментов снимка и разработка технологии получения пространственных данных для геоинформационкых систем кадастра железных дорог по фрагментам снимка является актуальным.

Цель диссертационной работы. Исследование и разработка технологии получения пространственных данных местности и объектов недвижимости с использованием дистанционных методов для геоинформационного обеспечения кадастра железных дорог.

Основные задачи исследований:

-анализ существующих автоматизированных информационных систем кадастра объектов недвижимости;

-исследование точности позиционирования пространственных данных по фрагментам снимков:

-обоснование допустимого коэффициента увеличения для получения пространственных данных местности и объектов недвижимости по фрагментам снимка;

-эксперимент&аьное исследование точности позиционирования пространственных данных объектов недвижимости по фрагментам снимков с большими коэффициентами увеличения;

-разработка технологии получения пространственных данных объектов недвижимости по фрагментам снимка с большим увеличением;

-апробация и внедрение разработанной технологии.

Объектом исследований является геоинформатика и пространственные данные местности и объектов недвижимости железных дорог.

Предмет исследования - геоизображения и технологии их получения.

Теоретическая и методологическая база исследований. В работе для теоретических исследований использовались методы аналитической и цифровой фотограмметрии, аналитической геометрии, линейной алгебры, сравнительный анализ. Для практической проверки разработанной технологии использовался экспериментальный метод, математико-статистический метод, метод наименьших квадратов.

Научная новизна работы состоит в том, что автором работы впервые выполнены обширные теоретические и практические исследования точности позиционирования пространственных данных местности и объектов недвижимости, полученных с большими коэффициентами увеличения по фрагментам снимков, а также разработана технология геоинформационного обеспечения объектов недвижимости железных дорог методами дистанционного зондирования с большими коэффициентами увеличения.

Практическая значимость работы состоит:

- в обосновании необходимости создания геоинформатики объектов недвижимости, как генерирующей автоматизированной информационной системы учета, оценки и управления недвижимостью железных Дорог;

- в обосновании точности позиционирования пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости;

- в разработке и реализации технологии получения пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости с использованием материалов дистанционного зондирования.

На защиту выносятся:

- информационные технологии и геоинформационные системы учета и управления недвижимостью железных дорог;

- методы и точность получения пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости железных дорог;

- технология получения пространственных данных геоинформационных систем железных дорог с использованием фрагментов снимка.

Реализация работы. Основные положения диссертации были использованы при получении цифровых моделей ж.д. станций, перегонов, сельских поселений для решения задач кадастра, учета и инвентаризации объектов недвижимости, землеустройства и т.д.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях «Неделя науки» Московского Государственного университета путей сообщения в 2000-2007г.г., на девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» в 2008 г., на научных конференциях ГИС-Ассоциации, научных конференциях в Государственном университете по землеустройству (ГУЗ).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 141 печатных страниц основного текста включает: введение, четыре главы, 17 таблиц, 32 рисунка, список библиографии из 87 наименований.

Основное содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследований, дается основная характеристика работе и обосновывается необходимость выполненных исследований.

В первой главе «Современное состояние геоинформационного обеспечения объектов недвижимости железных дорог» рассмотрена структура недвижимости ОАО «РЖД», автоматизированные информационные технологии в управлении недвижимостью на железнодорожном транспорте: АС УДАР, ЛОЦМАН:СПДС.

Рассмотрены задачи и особенности создания автоматизированных, интегрированных геоинформационных систем (ГИС) учета и управления недвижимостью железнодорожного транспорта. Анализированы технологии получения пространственных данных геоинформационных систем и методы их эффективной организации в базах данных.

Во второй главе «Анализ геометрических особенностей фрагмента снимка» показано, что в настоящее время основными технологиями получения и обновления пространственных данных геоинформационных систем являются технологии, основанные на применении материалов аэросъемки (фото и цифровой) и цифровой обработки результатов съемок.

При изготовлении крупномасштабных планов (1:500 - 1:2000) в соответствии с принятыми на производстве параметрами аэросъемки, используемый при этом коэффициент обычно достаточно велик - К=ш/М>5х , где m и М знаменатели соответственно масштаба аэросъемки и изготовляемого плана. Использование больших коэффициентов трансформирования вызывает необходимость обработки снимков по фрагментам (частям). Использование больших коэффициентов трансформирования сокращает объем работ по аэросъемке, привязке снимков, фототриангуляции и т.д., что делает получение конечной продукции экономически выгодной.

Вопросами использования частей снимков занимались проф. Я.И. Гебгарт и A.B. Егорченков. Ими исследовалась геометрия увеличенных частей длиннофокусных (£>1000 мм) космических снимков, используемых для корректировки планов масштаба 1:25000 с применением аффинного фототрансформирования.

При изготовлении крупномасштабных контурных планов по аэроснимкам возникают совершенно иные проблемы. Здесь исходным материалом являются снимки, получаемые в результате аэросъемки, т.е. при обычно значительно более коротких фокусных расстояниях (f=100-300MM). Это обстоятельство в большой степени увеличивает искажения, вызываемые углом наклона снимка, рельефом местности и физическими факторами. С.Г. Геновым исследовались возможности использования частей снимка применительно изготовления планов по одиночным снимкам, с применением аналоговых методов.

В настоящее время, при повсеместном использовании цифрового решения при стереофотограмметрической обработки снимков, использование фрагментов связано с иными зависимостями, точностями и качеством изображения.

Указанные факторы вызывают необходимость в проведении исследований геометрических особенностей фотограмметрической модели полученной по фрагментам снимка. Знание геометрии фрагмента снимка позволит наилучшим образом обосновать выбор параметров аэросъемки и проводить стереофотограмметрическую обработку снимков при больших коэффициентах увеличения.

В случае возрастания коэффициента К соответственно увеличиваются и ошибки планового положения точек фотограмметрической модели. При определенной величине К указанные ошибки становятся недопустимыми. Выявление этого значения связано с условием обеспечения требуемой точности изготовления плана. При построении контурной части возможность выполнения такого условия зависит в основном от величины К в сочетании с влиянием ошибок измерений координат точек фотограмметрической модели, остаточных ошибок определения углов наклона трансформируемого снимка и ошибок, вызываемыми физическими факторами.

В третьей главе «Обоснование возможностей использования больших коэффициентов трансформирования фрагментов снимков» показано, что обработка пары снимков в плановой части представляет собой трансформирование одиночного снимка с той только разницей, что вместо цифровой модели рельефа используется высотная часть фотограмметрической модели.

С позиций влияния наклона снимка, чем больше коэффициент увеличения (трансформирования) К, тем меньше используемая часть и тем выше точность учета влияния угла наклона а. Следовательно, использование фрагментов фотограмметрической модели расширяет возможности применения больших величин К при обработке снимков.

Искажение в пределах фрагмента, вызванное наклоном снимка и ошибками физического порядка, во много раз меньше, чем в пределах целого снимка.

Для целого снимка максимальное смещение точки за угол наклона в масштабе плана равна

где ута, - расстояние от центра снимка до угла рабочей площади снимка (при формате снимка 23x23 см, продольном перекрытии 60% и ограничении рабочей площади через снимок - ута, ~ 128мм).

При использовании фрагмента снимка максимальное смещение точек за угол наклона в масштабе снимка будет равно:

д, ( (2)

где г' - расстояние от центра части до его угла (в масштабе контактного снимка); ушх -расстояние от центра снимка до угла рабочей площади (то же самое значение что и в формуле (1)).

Ь

Если сторона части в масштабе плана 1:М равна Ь, то г'=

1,4 - К

Тогда

8' =

МУт" + 1.4К

)-зта0

2.81'

(3)

Определим, во сколько увеличивается точность при использовании фрагмента снимка. Разделив выражение (1) на (3) получим

1 =

2.8К-Г

Ц1 + -

-)

(4)

Из выражения (4) вытекает, что гтах и Ь являются величинами постоянными, тогда величина I зависит только от К. Приняв гтах = 100мм, Ь = 500мм в соответствии (4) получим

0.56 К

I =

1 +

3.5 '

К

(5)

Составим табл. 1 значений I, показывающей, во сколько раз увеличивается точность учета влияния наклона снимка при использовании фрагментов в зависимости от возрастания коэффициента увеличения К по сравнению с использованием всего снимка.

Таблица 1

1 к 7 10 15 20 100

1 1 2.6 4.2 8.2 11.0 54.1

Величины смещений за влияния угла наклона ао в случае использования фрагмента снимка с увеличением К также значительно уменьшаются (формула (3), Так при £=350мм, а0= 35' и различных К З'ашх будет равно (табл.2).

Таблица 2

К 7 10 15 20 100

мм 0,77 0,69 0,63 0,60 0,50

5„т„,мм 2,00 2,86 4,29 5,71 28,57

При обработке пары снимков данные о рельефе для ортофототрансформирования получают с помощью фотограмметрической модели.

Влияние рельефа, определяемое по паре снимков, образующих фотограмметрическую модель, может быть вычислено по формуле:

г 1.1-т-1'-та 1.ЬК-г-т_

"""гй——ь ' (6)

где тЛ- средняя квадратическая ошибка смещения точки в плане, вызванного влиянием рельефа.

Вычислим значение Шя, (формула (6)) при максимальном г=100 мм, Ь=70 мм, шч=0,01 мм и при различных К (табл. 3).

Таблица 3

К 5 7 10 15 20

ГПоьММ 0,078 0,110 0,157 0,236 0,314

Да»мм 0,062 0,088 0,126 0,189 0,251

Поскольку точность плана оценивается в средних ошибках, преобразуем средние квадратические ошибки Шя, в средние ошибки Д5„, пользуясь зависимостью

Дбь = т6Ь/1,25.

Результат перевода дан в табл. 3 (третья строка).

Чтобы определить, какие смещения являются допустимыми, обратимся к допустимым ошибкам в положении точек плана. Применительно к изготовлению крупномасштабных планов (1:500-1:2000), средняя ошибка не должна превышать 0,4 мм, при этом аналогичная ошибка в положении точек опоры должна быть в>/2 раз меньше, то есть 0,4/72 =0,28 мм. Для того, чтобы смещение за ошибки рельефа не увеличили бы

этого допуска 0,28 мм, величины этих смещений не должны быть больше 0,28/3=0,093 мм. Сравнивая эту величину с соответственными величинами табл. 3, т.е. с величинами Дбь, видим, что необходимая точность будет обеспечена лишь при К<7. В случае больших коэффициентов необходимая точность может быть достигнута за счет проведения повторных измерений (повторных наведений марки). Как следует из табл. 3 для достижения требуемой точности (0,093 мм) нужно при К=10 проводить два приема наведений, что уменьшит ошибки в раза, то есть в 0,126/-72=0,088мм; при К=15 три приема (0,189/^=6,109 мм); в случае К=20 надо производить четыре наведения (0,251/2=0,125 мм). Поскольку значения Дгь получены при наихудшем значении г=100 мм, можно полагать, что при указанном количестве приемов измерений можно вести обработку и в случае больших коэффициентов увеличения порядка 20х. При этом необходимо учитывать, что величина ошибки Д^ зависит от расположения засечки, то есть от величины г (рис. 1).

На рис. 1 Я/, - центры проекций пары снимков. Чем дальше засечка происходит, в данном случае от левого снимка, тем при этом же значении ЛИ больше величина смещения за ошибку определения высот.

Рис. 1. Изменение ошибки Д8Ь в зависимости от расположения точки в пределах модели

Рис. 2. Зависимость ошибок от расположения точек в

пределах модели и коэффициента увеличения

Таким образом, несмотря на то, что фотограмметрическая модель, полученная по паре снимков, позволяет определять ортогональные проекции точек местности, остаточные смещения за рельеф в положении этих точек подчиняются законам центрального проектирования. Это значит, что указанные смещения располагаются на прямых, идущих из проекции точки надира п, а величина смещения на плане в соответствии с рассмотренным ранее будет равна:

ô„ = ôhr/(MQ,

где ôh - ошибка определения высоты точки при обработке фотограмметрической модели.

Из рассмотренного следует, что увеличивать количество измерений надо при К=10 между окружностью с г=70 мм (на контактном снимке) и дальними углами стереопары г=100 мм; при /0=15 между окружностью с г=60 мм и дальними углами стереопары; а при К-20 между окружностью г=50 мм и дальними углами стереопары (рис. 2)

Применительно к ортофототрансформированию, найдем допустимое значение средней величины остаточного смещения точек на плане из-за ошибок определения высот точек фотограмметрической модели. Применительно к сгущению опоры (чтобы эти остаточные смещения за рельеф не нарушали конструктивные допуски, средняя ошибка в положении точки плана не должна превышать 0,4 мм) надо эту величину уменьшить в 3 раза, то есть средняя величина остаточного смещения за рельеф не должна превышать Д5ь=0,4/3=0,133 мм.

Сравнивая полученную величину Да с данными табл.3, видим, что ортотрансформирование возможно лишь при А'<10. При больших коэффициентах увеличения К необходимая точность не обеспечивается. Хотя, не обеспечивается не по всей модели, а только между окружностью с г«70 мм и дальними углами стереопары (при К=15), и между окружностью с г=50 мм и этими же дальними углами стереопары (К=20). Схематически суть сказанного показана на рис.З.Для возможности обеспечения необходимой точности за пределами указанных окружностей можно применить ЦМР, высоты точек которой следует определять по этой же модели путем многократного наведения марки (для К= 15 - двукратное наведение; для К=20 - трех- или четырехкратное наведение) с дальнейшим использованием ЦМР при проектировании модели. При составлении планов по фрагментам снимков стремятся, как правило, использовать максимальный коэффициент трансформирования, обеспечивая при этом заданную точность получения плана. Получение действительно надежного значения Кдоп возможно лишь в случае нахождения этого коэффициента для наиболее неблагоприятного расположения фрагмента, т.е. самого удаленного от центра трансформируемого снимка.

На рис. 4 показаны вершины стереопары - 3, 4, 5, 6 и центры снимков - I и 2. Если трансформируется левый снимок пары, то наиболее удаленными точками от центра

снимка являются вершины 4 и 6. Будем считать, что главная вертикаль левого снимка, применительно к ошибке определения его углов наклона, совпадает с диагональю 1-4.

Рис.3. Границы остаточных рис.4 Схематическое

смещений за рельеф для расположение фрагментов на

различных коэффициентов площади стереопары

увеличения

Тогда наибольшее смещение, вызванное указанной ошибкой, будет именно в точке 4. Большие смещения в этой точке возможны также из-за влияния ошибок определения ее высоты и ошибок физического характера. Для фрагмента с центральной точкой / (рис.4) ошибка в положении точки 4 относительно точки / определяется ошибкой в величине отрезка 4-1. Применительно к ошибкам измерения плановых координат точек снимка и их высот, СКП отрезка 4-/ равно величине СКП положения точки, т.е. СКП измерений. Вместе с тем ошибки определения углов наклона и физических факторов для данного снимка имеют определенную величину, и поэтому на точке / значение соответствующих смещений зависит от их величины на точке 4. Указанное влияние ошибки в угле наклона снимка вызывает смещение точек вдоль главной вертикали пропорционально г2, а влияние физических факторов с некоторым допущением - г3 (г- расстояние от точки 1 до данной точки).

Ошибки измерения координат и определения углов наклона снимка являются случайными, применительно к измерению плановых координат можно записать:

тк = кфп2х + т\ = 1,4Ктх _ (7)

где Ши- средняя квадратическая ошибка (СКО) положения точки изготовляемого плана; шх , ту - ошибки измерения координат точки контактного снимка, причем шх = ту. Величина тйне зависит от положения точки на площади стереопары.

В соответствии с формулой (7) СКО в положении точки 4 относительно точки / на плане при обработке с К = 1 будет равна:

ш,, = т„

2

- +

I

1-

(8)

где г,, г4- расстояние от точки 1 до точек г, 4;

I - количество приемов измерений на опорных трансформационных точках; тиз - ошибка измерений координат и параллаксов точек снимков (то есть тш = тх= ту =трг тч).

В формуле (8) число 2 в равных долях соответствует ошибкам измерения плановых координат и высот, выражения в квадратных скобках соответствуют учету влияния ошибки в определении угла наклона снимка и ошибки физического характера. При обработке всей стереопары точка г совпадает с центром 1. В этом случае г; равно 0 и потому выражения в квадратных скобках, стоящие в (8), становятся равными 1. Иными словами значение Ш4.1 всегда соответственно больше, при прочих равных условиях, любого значения гпд.; при использовании фрагментов.

Величина допустимого коэффициента увеличения Кооп определяется по

формуле

Кдоп=тТ/Щ-1>

(9)

где шт -допустимая СКО на опорных точках при трансформировании.

Получаемые значения Као„ из - за приближенности величин шиз, входящих в (9), являются также приближенными. Для нахождения допустимого значения коэффициента увеличения Кдоп в зависимости от размера фрагмента возьмем несколько разных по величине фрагментов, но с включением в каждый из них "неблагоприятной" точки 4.

Самым большим из взятых является естественно образующийся, как половина стереопары, фрагмент а (1-3-4-2) с центральной точкой 7, расположенной посередине между точками 1-4 (рис.4).

Следующим - меньшим по величине является фрагмент 6(7-7'-4-7") с центральной точкой 8, расположенной посередине между точками 7-4.

И, наконец, самый малый фрагмент с(8-8'-4-8") с центральной точкой 9, расположенной посередине между точками 8-4.

В табл.4 даны значения Клоп для взятых фрагментов, а также для всей стереопары, вычисленные по формулам (9), (10). При этом шиз=0.01мм, шт=0.25мм, и в соответствии с выбранными фрагментами^ = 0.5, 0.75, г± = 0.875. Количество приемов

'4 г* '4

измерений на опорных точках (у берется равным 1 и 2.

Полученные значении Клоп обеспечивают не только точность трансформирования по опорным точкам в соответствии с Шт - 0.25мм, но и точность составления самого плана при 1=1. Это объясняется тем, что допустимое значение СКО в положении точки на плане ш„=0.5мм.

Таблица 4

Количество приёмов (1)

Фрагменты Вся стереопара

а (1-3-4-2) Ь (7-7 - 4 -7") с (8 - 8'- 4 - 8")

1 9,8 11,2 12,1 8,9

2 11,7 14,6 16,6 10,3

Анализируя значения Кооп в табл.4, видим, что уменьшение размеров фрагмента и увеличение количества приемов измерений на опорных точках (1 = 2) ощутимо увеличивает значение Кдоп. Например, для фрагмента Ь и I = 2 Л^до„ «15.

Фототриангуляция при больших значениях коэффициента К отличается малым числом базисов фотографирования между опорными точками. Учитывая ожидаемое малое количество базисов, воспользуемся для решения вопросов, связанных с фототриангуляцией при больших коэффициентах К, известными формулами определения СКО для этих точек в середине фототриангуляционного ряда. Эти формулы позволяют находить величины СКО тх, ту на местности для связующих точек в середине ряда, опирающихся по своим краям на опорные точки. Поскольку нас интересует влияние коэффициента К на процесс фототриангуляции, перейдем от известных формул к формуле определения СКО в положении точки в середине ряда на создаваемом плане. В результате получим

У

тс = 0.3Ктгп/2, (Ю)

где тс~ ошибка в положении точки, расположенной в середине ряда; тг = (ш,2 +ту2)

суммарная ошибка измерения координат точки снимка по двум осям, а тх и ту ошибки этих измерений по каждой оси; п - число базисов фотографирования между опорными точками.

Для выявления влияния большого значения коэффициента К при фототриангуляции проведем сравнение фототриангуляционного ряда при меньшем значении К и ббльшем значении п, обозначив эти величины через А'ь /¡/. Аналогично для фототриангулирования с большим К обозначим эти величины через К2, п2. Подставим в формулу (10) значение К/, Очевидно, величина п/ должна быть такой, чтобы точность фототриангуляции была обеспечена. То же относится и к большому коэффициенту К при величинах К2, п2. Если подставить в (10) значения К2, п2, то получим то же значение тс, что и для предыдущего случая. Приравнивая формулу (10) со значениями /<"/, nt и К2, п2, после преобразования получим формулу, показывающую во сколько раз п2 меньше чем ti]

Как следует из (И), чем больше К2 по сравнению с К/ , тем меньше п2 по сравнению с п/ применительно к базисам фотофафирования. Однако на местности, поскольку масштаб снимков при К2 ощутимо мельче, дело будет происходить совершенно по-другому, т.е. расстояние между опорными точками при К2 будет больше, чем при К1 . Чтобы выявить во сколько раз расстояние между опорными точками на местности при К2 будет больше, чем при А"; , умножим п2 на Ьх т2, а п/ на Ьх т1, где т2,гп1~знаменатели масштабов аэросъемки, а Ьх - базис фотографирования на снимке (на эти же величины умножается и правая часть формулы (11)). Поскольку величины и2 •^>,■mJ=¿2 и в,=£, представляют собой расстояние между опорными точками по маршруту на местности, то после преобразования получим формулу определения во сколько раз расстояние на местности между опорными точками при К2 больше, чем при К/.

(П)

Поскольку, коэффициенты К относятся и к оси у, то, учитывая это обстоятельство, перейдем от формулы (12) к формуле определения во сколько раз площадь между опорными точками на местности при К2 больше, чем при К1 и получим

В соответствии с формулой (10) при тс=0.2 мм, К= 15, тх= ту= 0.01 мм величина п2 ~ 2. При К/ = 7.5 и К2 = 15 количество базисов п2 по сравнению с п! н соответствии с формулой (11) - уменьшается в 1.6 раза. При этом расстояние между опорными точками на местности увеличивается при К2 = 15 в соответствии с формулой (12) в ~ 1.25. Площадь же, обеспеченная опорными точками, при К2= 15 в соответствии с формулой (13) ~ в 2.5 раза больше, чем при Kj = 7.5 . Таким образом в соответствии с рассмотренным, можно утверждать, что при фототриангуляции с большим значением коэффициента К не только обеспечивается необходимая точность, но и значительно уменьшается количество опорных точек. Это относится и к процессу фототриангулирования, а также изначально к проведению аэрофотосъемки. При К2= 15 на ту же территорию будет в 4 раза меньше снимков, чем при Kt = 7.5. Такое значительное уменьшение количества снимков вызывает выигрыш во времени, соответствующий выигрышам производимых расходов средств.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования» приведены исследования по нахождению допустимого коэффициента трансформирования Клол методом моделирования ошибок, возникающих при ортофототрансформировании фрагментов снимков. При этом моделировался фрагмент, точки которого могут иметь наибольшие искажение. Для этого в точки, являющимися вершинами выбранного фрагмента вводились ошибки за: изменение плановых координат точек снимка; определения высот этих точек на местности; трансформирования, что связано с остаточными ошибками нахождения углов наклона снимка; физические факторы (дисторсия объектива съемочной камеры и т.д.).

Выборка ошибок производилась с использованием программы Microsoft Excel 2003. Поскольку выборка осуществлялась применительно к нормальному распределению случайных ошибок, то математическое ожидание задавалось равным нулю, а СКО равным 0,01мм. Для получения надежных результатов были выполнены необходимые выборки ошибок на 5 точках (рис. 4) в количестве 300 раз. Каждый прием

(13)

включал в себя выборки ошибок &,бу,8р на все 5 точек (применительно к влиянию ошибок измерений координат точки на снимке и ошибки определения ее высоты). Ошибки в определении углов наклона и ошибок, вызываемых физическими факторами, в соответствии с рассмотренным ранее, определяются только для точки 4. После завершения процесса выборки с помощью программы и вышеприведенных формул были получены значения ошибок на всех точках, вызванных ошибками в угле наклона и ошибками физического характера. Затем для точки данного приема суммировались ошибки по осям X, У и вычислялось среднее значение ошибки, а по ним величина КДОП1 производя деление допустимой ошибки 0,25 мм на среднее значение ошибки в данном приеме.

После выполнения рассмотренной части вычислений определялось среднее значение Кдоп из всех приемов. Оно оказалось равным при числе приемов измерений на опорных точках 1=1 , Кдоп=12,6, а 1=2 КДОГ1=16,6.

Для выявления ожидаемого повышения точности величины средних ошибок, уменьшенные в 5 раз, вводились в виде поправок в каждую точку с обратным знаком. После этого снова вычислялось среднее значение в каждом приеме и значение Кдт.

С переходом к цифровой обработке результатов аэросъемки возникает необходимость в определении точности измерения координат точек снимка, увеличенных на мониторе компьютера в различных масштабах изображения.

Экспериментальные исследования точности измерений увеличенных на экране компьютера изображений. Перед началом эксперимента в центральной части стереопары были выбраны в пределах изображения сельского поселения чёткие контурные точки (31 точка). Используемые для эксперимента снимки получены с помощью камеры ЯС-ЗО ^=300мм, Н=3000м,). Выбранные точки использовались для проведения двойных измерений по взаимно и геодезически ориентированной паре снимков при различных Ка. Эти коэффициенты были получены с учётом величины пикселя (7мкм), они оказались следующими: К„= 17.5, 35, 70, 140. Именно при этих значениях К„ строились изображения снимков на экране компьютера и проводились необходимые измерения. Сначала выполнялся первый приём измерений значений х, у, р, затем, после достаточно длительного перерыва, выполнялся второй приём измерений. Запись результатов измерений производилась автоматически. После завершения измерительных работ, вычислялись разности двойных измерений, а затем - значения

СКП. В табл. 5 приведены значения коэффициентов Кв и полученные СКП измерений положения точек снимка в плане и по высоте (по ошибкам высот найдены значения шр). Анализируя полученные значения тх, ту, тр при разных величинах Кв, необходимо отметить следующее. С увеличением Кд во взятом интервале величины указанных ошибок уменьшаются, что можно объяснить свойством нашего зрения с достаточной точностью находить центры и границы не резко изобразившихся контуров.

Таблица 5

К„ 17.5 35 70 140

шх(мм) 0.0175 0.0085 0.0040 0.0040 Шу(мм) 0.0205 0.0075 0.0044 0.0035 Шр(мм) 0.0075 0.0055 0.0024 0.0025

Рис. 6. Фрагмент 7, 7', 4, 7" на площади стереопары

Как следует из табл.5, величина ошибки измерения в плане, в случае больших Кв, ощутимо мала. Она составляет для Кв-70 и 140 практически 4 мкм. Эта величина в 2.5 раза меньше обычно употребляемой - тх=ту=10м.ш, которая соответствует измерениям на стереокомпараторе. Такое повышение точности измерений позволяет соответственно увеличить коэффициент трансформирования, что ощутимо уменьшит объёмы работ по аэрофотосъёмке, привязке снимков и фототриангуляции.

Как следует из рассмотренного, применительно к измерениям х, у, р точек снимков, точность этих измерений повышается до Ка~70, а затем практически не изменяется до £„=140. Можно полагать, что увеличение значения К, (от 70-140) связано с появлением нерезких изображений, не позволяющих повысить точность измерения.

Что касается ошибок измерения р, то, как видно из табл. 5, тр при всех значениях Кв в 2 раза меньше, чем тг ----(т\ + т1)'/2, кромеслучая, когда /<"„= 17,5 и тг/тр=3,5.

Для проведения исследований по определению допустимого коэффициента трансформирования фрагмента снимка была использована пара снимков, полученная камерой ЯС-ЗО с фокусным расстоянием Г=303мм в масштабе 1:10000. Сканирование

аэронегативов производилось на фотограмметрическом сканере Z/I Photoscan с разрешением 7мкм.

На стереопаре были выбраны (рис. 6): фрагмент, расположенный в углу стереопары; опорные точки, расположенные по углам стереопары- 3,4,5,6; опорные точки по углам фрагмента - 7,Т,4,7"; контурные точки, находящиеся в пределах фрагмента- 8,9,9',10,10'.

Координаты опорных и контрольных точек определялись в поле при помощи GPS приемников с погрешностью 2-3 см. Фотограмметрическая обработка снимков и определение координат контрольных точек производилась с помощью программных модулей ORIMA (Orientation Management) - программное обеспечение для триангуляции и цифровой фотограмметрической системы SOCET SET.

Вначале было произведено взаимное ориентирование пары снимков. Координаты контрольных точек были получены двумя путями. В первом случае за опорные точки принимались угловые вершины стереопары 3, 4, 5, 6. Во втором случае геодезическое ориентирование осуществлялось по точкам 7, 7', 4, 7",(рис. 6) расположенным по углам фрагмента. По результатам внешнего ориентирования в стереорежиме были определены координаты контрольных точек. Затем находились ошибки определения этих координат в виде разности полученных координат контрольных точек и их значений, измеренных на местности. Далее были определены средние квадратические ошибки этих разностей тх, ту, по которым производилось сравнение точности двух рассмотренных вариантов. Для большей надёжности эксперимента всё выше сказанное проводилось в четыре независимых приёма. В табл. 6 приведены средние значения mx, тау для контрольных точек.

Как видно из табл.6, 2-ой вариант выше по точности для абсцисс в 1,24 раза, а для ординат в 1,40 раз, то есть в среднем в 1,3 раза с некоторым приближением.

Таблица 6

1-ый вариант Опора - точки 3,4,5,6 шх=0,0099 мм

ту=0,0120 мм

2-ой вариант Опора-точки 7,7',4,7" тх=0,0080 мм

Шу=0,0086 мм

Такое ощутимое повышение точности объясняется значительно меньшими искажениями в пределах фрагмента по сравнению со всей стереопарой, что позволяет

производить трансформирование фрагментов с ощутимо большими коэффициентами увеличения. Это следует учитывать как при изготовлении ортофотопланов, так и выборе параметров аэросъёмки.

Заключение.

1. В диссертационной работе анализированы автоматизированные информационные системы учета, оценки и управления недвижимостью объектов железных дорог. Показано, что в целях совершенствования технологии учета и управления недвижимостью целесообразно создание геоинформационной системы, как интегрированной технологии автоматизированных систем.

2. Рассмотрены технологии получения пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости железных дорог с использованием методов дистанционного зондирования. Исследована точность позиционирования пространственных данных на материалах аэрофотосъемки.

3. Теоретически и экспериментально исследованы возможности получения пространственных данных геоинформационных систем с использованием фрагментов снимка, полученным с большими коэффициентами увеличения. С этой целью исследованы факторы, влияющие на измерительные свойства фрагментов снимка за: влияние угла наклона снимка, рельефа местности, дисторсии объектива съёмочной камеры, атмосферной рефракции и кривизны Земли на геометрические свойства фрагментов снимка. Показано, что влияние этих факторов на измерительные свойства фрагментов снимка значительно меньше, чем на весь снимок.

4. Выполнены исследования точности измерения снимков. Показано, что точность измерений снимков, в основном, зависит от разрешающей способности съёмочной системы. Получена зависимость точности измерений снимков от разрешающей способности съёмочной камеры.

5. Результаты исследований точности определения пространственных данных по фрагменту фотограмметрической модели показали, что геометрические особенности, возникающие при обработке фрагмента фотограмметрической модели с позиции получения плановых координат, такие же, как при трансформировании одиночного снимка. С позиции влияния наклона снимка, чем больше коэффициент трансформирования снимка, тем меньше используемый фрагмент, и тем выше точность

учёта влияния а, при этом пределом возрастания К является лишь фотографическое качество изображения.

6. Исследования точности учёта влияния рельефа местности при обработке пары снимков для определения плановых координат показали, что искажения плановых координат за ошибку определения высот, в отличие от одиночного снимка, не зависит от значения фокусного расстояния съёмочной системы, так как большие ошибки в высотах при длинных f компенсируются при переходе к ошибкам в плане более узким проектирующим пучком при больших К. Однако с увеличением К возрастает значение смещения за рельеф, вызванное ошибками измерений фотограмметрической модели. В случае изготовления планов в масштабах 1:500, 1:1000, 1:2000 необходимая точность определения высот будет обеспечена лишь при К<7. В случае больших коэффициентов необходимая точность может быть достигнута за счёт проведения повторных измерений.

7. Рассмотрены особенности развития фототриангуляции при больших коэффициентах увеличения К. Расчётами показано, что при фототриангуляции с большими значениями коэффициента К не только обеспечивается необходимая точность, но и значительно уменьшается количество опорных точек, а также количество снимков. Такое уменьшение количества снимков вызывает выигрыш во времени и расходов средств.

8. Исследования по определению допустимого коэффициента трансформирования методом моделирования ошибок показали, что: минимизация расхождений на опорных точках при трансформировании уменьшает величину средней ошибки в каждом приёме; использование фрагментов значительно повышает точность обработки, а, следовательно, и возможность увеличения коэффициента трансформирования К.

9. Исследования точности измерения х,у,р, на увеличенных в 17.5* 35* 70* 140* изображениях на экране монитора компьютера показали, что точность измерений х и у до коэффициента визуализации 70* повышается, а затем практически не изменяется до К„ =140. Ошибки измерений шр при всех Кв в два раза меньше чем тх и тг Результаты исследований выявили, что производство измерений с большими коэффициентами К„ значительно повышает точность измерений снимков.

10. Экспериментальные исследования по выявлению точности определения координат точек по реальным снимками и их фрагментам показали, что при обработке

фрагментов снимка абсциссы контрольных точек в 1,24 раза, а ординаты в 1,40 раз определяются точнее по сравнению с обработкой всей стереопары. Такое повышение точности объясняется значительно меньшими искажениями в пределах фрагмента по сравнению со всей стереопарой.

11. Выполненные теоретические исследования геометрических и измерительных особенностей фрагментов снимка и проведенные экспериментальные работы по выявлению точности определения координат точек по фрагментам снимка убедительно показали возможность повышения точности позиционирования пространственных данных по фрагментам снимков и целесообразность обработки снимков с большими коэффициентами увеличения.

Основные результаты опубликованы автором в следующих статьях:

1. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д., Гебгарт A.A. Возможности трансформирования фрагмента снимка с большим увеличением //Геодезия и картография. - 2002,-№12..- с.30- 34.

2. Гебгарт А.А Исследование возможностей увеличения коэффициента трансформирования путём использования моделирования//Экономические, правовые, технические и экологические аспекты землеустройства и земельного кадастра. - М., ГУЗ, 2004г.- с.69- 74.

3. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д., Гебгарт A.A. Особенности изготовления кадастровых планов путем преобразования фрагментов снимков с большим увеличением//Землеустройство и земельный кадастр: Сборник научных статей, посвященных 225-легию Государственного университета по землеустройству,- М., ГУЗ, 2004г.- с.150-158.

4. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У .Д., Гебгарт A.A. Некоторые вопросы измерения снимков //Геодезия и картография. - 2005.- №2,- с.24-25.

5. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д., Гебгарт A.A. О точности обработки фрагмента снимка//Геодезия и картография. - 2007,- №5.

6. Ниязгулов У.Д., Гебгарт А.А К вопросу совершенствования технологии получения информации о местности по материалам аэросъёмки. - М. , Вестник МИИТа, выпуск 18, 2008г.- с. 11-16.

7. Ниязгулов У.Д., Легкий В.В., Гебгарт A.A. К вопросу геоинформационного обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте. Труды девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» - М. , МИИТ, 2008г.- с. IX-18.

8. Ниязгулов У.Д., Гебгарт A.A. Совершенствование технологии получения пространственных данных геоинформационных систем с использованием методов дистанционного зондирования». Труды девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» - М., МИИТ, 2008г.- c.IX-23-24.

Совершенствование технологии геоинформационного обеспечения объектов недвижимости железных дорог методами дистанционного

зондирования

Гебгарт Андрей Андреевич

Специальность 25.00.35 - Геоинформагика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать - 1?. 11.2008 Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Тираж 80 экз. Заказ -

Формат 60x84 1/16 Усл.-печ.л. -1,5

Типография МИИТ, 127994, Москва, ул. Образцова,15.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гебгарт, Андрей Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕДВИЖИМОСТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ.

1.1 Структура недвижимости ОАО «РЖД».

1.2 Информационные технологии в управлении недвижимостью на железнодорожном транспорте.

1.3 Геоинформационное обеспечение объектов недвижимости железнодорожного транспорта.

1.4 Пространственные данные ГИС железнодорожного транспорта.

2. АНАЛИЗ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ФРАГМЕНТА СНИМКА.

2.1 Модель погрешностей при создании крупномасштабных контурных планов.

2.2 Фрагменты снимка и возможности их использования при создании крупномасштабных ортофотопланов.

2.3 Исследование погрешностей фрагмента снимка.

2.3.1 Смещение точек фрагмента снимка за его наклон.

2.3.2 Особенности влияния рельефа местности при использовании фрагмента снимков.

2.3.3 Влияние физических факторов, нарушающих центральную проекцию.

2.3.3.1 Влияние дисторсии объектива съемочной камеры.

2.3.3.2 Влияние атмосферной рефракции.

2.3.3.3 Влияние кривизны земли.

2.3.3.4 Влияние деформации фотопленки.

2.4 Исследования точности измерения снимков.

3. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БОЛЬШИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРАНСФОРМИРОВАНИЯ СНИМКОВ.

3.1 Исследование точности определения планового положения точек по фрагменту фотограмметрической модели.

3.2 Исследование влияния ошибок высот точек фотограмметрической модели на их плановое положение.

3.3 Фрагмент снимка и его особенности.

3.3.1 Определение допустимых коэффициентов трансформирования при использовании фрагментов снимка.

3.3.2 Фототриангуляция при больших значениях коэффициента К.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Определение допустимого коэффициента трансформирования методом моделирования.

4.2 Исследование возможности повышения точности измерения снимков.

4.3 Определение допустимого коэффициента трансформирования при использовании фрагментов с использованием реальных снимков.

4.4 Перспектива использования фрагментов снимка для изготовления контурных планов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование технологии геоинформационного обеспечения объектов недвижимости железных дорог методами дистанционного зондирования"

На железнодорожном транспорте недвижимость объединяет здания, сооружения, земли в полосе отвода и многолетние насаждения. Недвижимое имущество, составляющее основу инфраструктуры железнодорожного транспорта, включает как производственные, так и непроизводственные основные фонды. Перечень недвижимости, входящий в состав производственных фондов весьма обширен. Это железнодорожные пути, вокзалы, локомотивные и вагонные депо, тяговые подстанции, мойки, очистные сооружения и другие многочисленные объекты. К недвижимости непроизводственного назначения относятся жилые дома, высшие и средние учебные заведения, школы, больницы, клубы, и т.д. 1 октября 2003 года на базе имущества Министерства путей сообщения Российской Федерации в рамках реформы железнодорожного транспорта создано ОАО «РЖД» с уставным капиталом более 1,5357 трлн. руб. 100% акций принадлежит государству. Эффективное управление крупными объектами, как ОАО «РЖД», невозможно решить без использования автоматизированных информационных технологий. Автоматизированная система управления недвижимости строится* на основе геоинформатики, систем автоматизированного проектирования (САПР), и мощной системы управления базами данных (СУБД).

Вопросы создания «Кадастра железных дорог», эффективного управления производственными, экономическими и социальными процессами, а также территориальное планирование, природопользование и т.д. в настоящее время немыслимы без использования автоматизированных геоинформационных систем и технологий (ГИС).

В последние годы происходит стремительное внедрение ГИС-технологий во все сферы человеческой деятельности. ГИС-технологии позволяют моделировать, анализировать процессы и явления, тем самым принимать оптимальные решения по рассматриваемым вопросам.

ГИС железнодорожного транспорта - автоматизированная информационная система, предназначенная обеспечить решение задач инвентаризации, проектирования и управления объектов железнодорожного транспорта. Основу ГИС составляют пространственно-временные цифровые данные и тематическая информация. Цифровые данные являются универсальными, так как их можно интегрировать для решения широкого круга задач.

Цифровые данные получают путем сканирования существующих планов и карт, методами геодезических измерений, в результате обработки материалов дистанционного зондирования.

Материалы дистанционного зондирования Земли, объектов, процессов, явлений находят все более широкое применение при решении самых различных задач. Это обусловлено, во-первых, относительной дешевизной получения данных дистанционными методами по сравнению с наземными, особенно при обследовании значительных территорий. Во-вторых, при дистанционном зондировании отсутствует непосредственный контакт между объектом исследования и техническими средствами, производящими измерения различных характеристик объекта, что обеспечивает неизменяемость объекта в момент исследования. В-третьих, и это главное, дистанционное зондирование в целом дает более информационные материалы, характеризующие состояние объекта исследования. В результате дистанционного зондирования получают количественные и качественные характеристики объектов, явлений и процессов без пробелов и разрывов.

В настоящее время основными технологиями обработки результатов дистанционного зондирования являются цифровые технологии. Они имеют существенные преимущества перед ранее использовавшимися: не требуют использования сложного дорогого специализированного оборудования; позволяют решать по результатам съемки самые разнообразные инженерные задачи, в том числе задачи железнодорожного транспорта; с внедрением оптико-волоконных линий связи появилась возможность передавать результаты съемки в специализированные центры обработки и исследования объектов, процессов и явлений.

В этой связи, одной важной задачей является выбор технических средств и методов дистанционного зондирования, обеспечивающих получение требуемой информации с необходимой объективностью, точностью и подробностью и при минимуме затрат средств и времени.

Создание «Кадастра железных дорог», включающего совокупность пространственно-временных, количественных и качественных показателей, характеризующих существующее состояние и использование инфраструктуры железнодорожного транспорта, как единого производственно-технического комплекса, требуется данные обо всех видах недвижимого и движимого имущества, в том числе о территориях полосы отвода и охранных землях.

Принятая в 2005 году подпрограмма "Создание системы кадастра недвижимости (2006-2011 годы)" Федеральной целевой программы "Создание автоматизированной системы ведения государственного земельного кадастра и государственного учета объектов недвижимости (2002 - 2007 годы)" включает в себя изготовление планово-картографической продукции масштабов 1:10000 на межселенную территорию и 1:2000 — 1:500 на земли населенных пунктов и городов Российской Федерации.

В настоящее время основным методом геоинформационного обеспечения для создания кадастра железных дорог является аэросъемка (фото и цифровая).

В настоящее время отечественными и зарубежными фирмами интенсивно разрабатываются цифровые съёмочные системы, обеспечивающие сверхвысокое разрешение (5см и более на местности). Такие системы позволяют выполнять аэросъёмку в значительно более мелком масштабе, чем масштаб составляемого плана. Следовательно, возникает необходимость в обработке снимков с большими коэффициентами увеличения.

Обработка аэрофотоснимков с большими коэффициентами увеличения К>5 при изготовлении крупномасштабных ортофотопланов (1:500-1:2000), все шире используется на производстве. Такие большие коэффициенты предопределяют необходимость в обработке снимков по фрагментам (частям), которые могут являться в этом случае исходным материалом, как при изготовлении контурных планов, так и в качестве основы для определения координат поворотных точек полос отводов железных дорог, площадей, объектов недвижимости и т.д.

Полноценное использование фрагментов требует знаний их геометрических особенностей, имеющих качественные отличия, поскольку связаны с взаимным положением точек только в пределах фрагмента, что позволяет использовать коэффициенты увеличения существенно большие, чем при использовании всего снимка. Правильный учет этих отличий существенно расширяет возможности применения цифровых методов при проведении земельно-кадастровых работ и создании крупномасштабных контурных планов.

Актуальность определяется тем, что возможность повышения коэффициентов увеличения (трансформирования) дает соответствующий экономический выигрыш. В этом случае соответственно сокращаются объемы работ по аэросъемке, привязке снимков, фототриангуляции и т.д., что ускоряет и удешевляет получение конечной продукции. Использование фрагментов снимка позволяет увеличить коэффициент трансформирования:. Поэтому исследования геометрических особенностей фрагментов снимка и разработка технологии получения пространственных данных для геоинформационных систем кадастра железных дорог по фрагментам снимка является актуальным.

Цель диссертационной работы. Исследование и разработка технологии получения пространственных данных местности и объектов недвижимости с использованием дистанционных методов для геоинформационного обеспечения кадастра железных дорог.

Основные задачи исследований:

-анализ существующих автоматизированных информационных систем кадастра объектов недвижимости;

-исследование точности позиционирования пространственных данных по фрагментам снимков;

-обоснование допустимого коэффициента увеличения для получения пространственных данных местности и объектов недвижимости по фрагментам снимка;

-экспериментальное исследование точности позиционирования пространственных данных объектов недвижимости по фрагментам снимков с большими коэффициентами увеличения;

-разработка технологии получения пространственных данных объектов недвижимости по фрагментам снимка с большим увеличением; -апробация и внедрение разработанной технологии.

Объектом исследований является геоинформатика и пространственные данные местности и объектов недвижимости железных дорог.

Предмет исследования — геоизображения и технологии их получения. Теоретическая и методологическая база исследований. В работе для теоретических исследований использовались методы аналитической и цифровой фотограмметрии, аналитической геометрии, линейной алгебры, сравнительный анализ. Для практической проверки разработанной технологии использовался экспериментальный метод, математико-статистический метод, метод наименьших квадратов.

Научная новизна работы состоит в том, что автором работы впервые выполнены обширные теоретические и практические исследования точности позиционирования пространственных данных местности и объектов недвижимости, полученных с большими коэффициентами увеличения по фрагментам снимков, а также разработана технология геоинформационного обеспечения объектов недвижимости железных дорог методами дистанционного зондирования с большими коэффициентами увеличения. Практическая значимость работы состоит:

-в обосновании необходимости создания геоинформатики объектов недвижимости, как генерирующей автоматизированной информационной системы учета, оценки и управления недвижимостью железных дорог;

-в обосновании точности позиционирования пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости;

-в разработке и реализации технологии получения пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости с использованием материалов дистанционного зондирования.

На защиту выносятся: -информационные технологии и геоинформационные системы учета и управления недвижимостью железных дорог;

-методы и точность получения пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости железных дорог;

-технология получения пространственных данных геоинформационных систем железных дорог с использованием фрагментов снимка.

Реализация работы. Основные положения диссертации были использованы при получении цифровых моделей ж.д. станций, перегонов, сельских поселений для решения задач кадастра, учета и инвентаризации объектов недвижимости, землеустройства и т.д.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях «Неделя науки» Московского Государственного университета путей сообщения в 2000-2007г.г., на девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» в 2008 г., на научных конференциях ГИС-Ассоциации, научных конференциях в Государственном университете по землеустройству (ГУЗ).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных работах.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе рассмотрена структура недвижимости ОАО «РЖД», информационные технологии в управлении недвижимостью на железнодорожном транспорте: АС УДАР, ЛОЦМАН:СПДС. Рассмотрены задачи и особенности создания автоматизированных, интегрированных геоинформационных систем (ГИС) учета и управления недвижимостью железнодорожного транспорта. Анализированы технологии получения пространственных данных геоинформационных систем и методы их эффективной организации в базах данных.

Во второй главе показано, что в настоящее время основными технологиями получения и обновления пространственных данных геоинформационных систем являются технологии, основанные на применении материалов аэросъемки (фото и цифровой) и цифровой обработки результатов съемок.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований точности определения планового положения точек по фотограмметрической модели, полученной по фрагментам снимка. Исследовано влияние ошибок высот на точность ориентирования фотограмметрической модели и влияние ошибок горизонтирования модели на плановое положение точек. С позиции теории рассмотрены геометрические особенности фрагмента снимка. Так же на основе разработанного математического аппарата предвычислены допустимые коэффициенты трансформирования при использовании фрагментов снимка; дано теоретическое обоснование по возможности его увеличения.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям', связанным с подтверждением возможности повышения коэффициента трансформирования при использовании фрагмента снимка. Исследования проводились на основе моделирования погрешностей, а также по реальным снимкам и полевой привязки. Также в этой главе представлена предлагаемая технология работ с использованием фрагментов снимка.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Гебгарт, Андрей Андреевич

Выводы по главе:

В четвертой главе экспериментально подтверждены основные теоретические положения данные в третьей главе, а именно:

1. Проведено моделирование ошибок, подтверждающее правильность формул предвычисления KRon и показывающее существенное преимущество использования фрагментов по отношению к использованию всей стереопары;

2. Проведены исследования по изучению коэффициента визуализации Кв и измерению точек на снимках, которые показывают, что проведение измерений с достаточно большой величиной Кв значительно повышает точность измерений снимков, а значит и всех фотограмметрических процессов при изготовлении ортофотопланов;

3. Выполнены экспериментальные исследования с использованием реальных снимков с помощью полевой и камеральной привязки, подтверждающее увеличение коэффициента KRon при использовании фрагментов с практической точки зрения;

4. Представлена предлагаемая методика фотограмметрической обработки снимков с использованием фрагментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе анализированы автоматизированные информационные системы учета, оценки и управления недвижимостью объектов железных дорог. Показано, что в целях совершенствования технологии учета и управления недвижимостью целесообразно создание геоинформационной системы, как интегрированной технологии автоматизированных систем.

2. Рассмотрены технологии получения пространственных данных геоинформационных систем объектов недвижимости железных дорог с использованием методов дистанционного зондирования. Исследована точность позиционирования пространственных данных на материалах аэрофотосъемки.

3. Теоретически и экспериментально исследованы возможности получения пространственных данных геоинформационных систем с использованием фрагментов снимка, полученным с большими коэффициентами увеличения. С этой целью исследованы факторы, влияющие на измерительные свойства фрагментов снимка: влияние угла наклона снимка, рельефа местности, дисторсии объектива съёмочной камеры, атмосферной рефракции и кривизны Земли на геометрические свойства фрагментов снимка. Показано, что влияние этих факторов на измерительные свойства фрагментов снимка значительно меньше, чем на весь снимок.

4. Выполнены исследования точности измерения снимков. Показано, что точность измерений снимков, в основном, зависит от разрешающей способности съёмочной системы. Получена зависимость точности измерений снимков от разрешающей способности съёмочной камеры.

5. Результаты исследований точности определения пространственных данных по фрагменту фотограмметрической модели показали, что геометрические особенности, возникающие при обработке фрагмента фотограмметрической модели с позиции получения плановых координат, такие же, как при трансформировании одиночного снимка. С позиции влияния наклона снимка, чем больше коэффициент трансформирования снимка, тем меньше используемый фрагмент, и тем выше точность учёта влияния а, при этом пределом возрастания К является лишь фотографическое качество изображения.

6. Исследования точности учёта влияния рельефа местности при обработке пары снимков для определения плановых координат показали, что искажения плановых координат за ошибку определения высот, в отличие от одиночного снимка, не зависит от значения фокусного расстояния съёмочной системы, так как большие ошибки в высотах при длинных f компенсируются при переходе к ошибкам в плане более узким проектирующим пучком при больших К.

Однако с увеличением К возрастает значение смещения за рельеф, вызванное ошибками измерений фотограмметрической модели. В случае изготовления планов в масштабах 1:500, 1:1000, 1:2000 необходимая точность определения высот будет обеспечена лишь при К<7. В случае больших коэффициентов необходимая точность может быть достигнута за счёт проведения повторных измерений.

7. Рассмотрены особенности развития фототриангуляции при больших коэффициентах увеличения К. Расчётами показано, что при фототриангуляции с большими значениями коэффициента К не только обеспечивается необходимая точность, но и значительно уменьшается количество опорных точек, а также количество снимков. Такое уменьшение количества снимков вызывает выигрыш во времени и расходов средств.

8. Исследования по определению допустимого коэффициента трансформирования методом моделирования ошибок показали, что: минимизация расхождений на опорных точках при трансформировании уменьшает величину средней ошибки в каждом приёме; использование-фрагментов значительно повышает точность обработки, а, следовательно, и возможность увеличения коэффициента трансформирования К.

9. Исследования точности измерения х, у, р , на увеличенных в 17.5* 35* 70* 140* изображениях на экране монитора компьютера показали, что точность измерений х и у до коэффициента визуализации 70* повышается, а затем практически не изменяется до Кв =140. Ошибки измерений шр при всех Кв в два раза меньше чем шх и шу. Результаты исследований выявили, что производство измерений с большими коэффициентами Кв значительно повышает точность измерений снимков.

10. Экспериментальные исследования по выявлению точности определения координат точек по реальным снимками и их фрагментам показали, что при обработке фрагментов снимка абсциссы контрольных точек в 1,24 раза, а ординаты в 1,40 раз определяются точнее по сравнению с обработкой всей стереопары. Такое повышение точности объясняется значительно меньшими искажениями в пределах фрагмента по сравнению со всей стереопарой.

11. Выполненные теоретические исследования геометрических и измерительных особенностей фрагментов снимка и проведенные экспериментальные работы по выявлению точности определения координат точек по фрагментам снимка убедительно показали возможность повышения точности определения координат точек по фрагментам снимков и целесообразность обработки снимков с большими коэффициентами увеличения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гебгарт, Андрей Андреевич, Москва

1. Адров В.Н. Современное состояние и особенности фотограмметрической обработки цифровой аэро- и космосъемки // Доклад на 5-ой конференции РОФДЗ, Москва. - 2005. - с. 25.

2. Аковецкий В.Г. Исследование погрешностей цифровых методов сте-реоизмерений изображений местности // Геодезия и картография. 1993. - № 9. - с. 32-37.

3. Антипов И.Т. Математические основы пространственной аналитической фототриангуляции. М.: Картгеоцентр - Геодезиздат, 2003. - 296 с.

4. Бирюков B.C., Агапов С.В., Желтов С.Ю., Скрябин С.В. О перспективах создания и внедрения отечественных цифровых стереофотограмметрических комплексов //Геодезия и картография. 1994. - № 9. - с. 23-26.

5. Варламов А. А. Земельный кадастр. В 6 томах. Том 1. Теоретические основы государственного земельного кадастра М., Колосс, 2004.

6. Валешко Г.И., Леонова Т. Н. О подготовке основы для кадастровых карт // Вопросы географии М., Мысль, 1965 -№6.

7. Волков Б.А., Федотов Г.В., Гавриленков А.А. Экономика и управление недвижимостью на железнодорожном транспорте. 2007. 639 с.

8. Гебгарт Я.И., Егорченков А.В., Генов Й.С.; Геометрические особенности увеличенной части снимка. // Геодезия и картография.-1998-№ 10.

9. Гебгарт Я.И. Зависимость ошибок опознавания точек увеличенных снимков от коэффициента увеличения. Геодезия и картография. М., 1955.

10. Ю.Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д. Возможности использования мотодельтаплана при аэрофотосъемке малых объектов // Сборник научных трудов МИИТ, выпуск 915, посвященных 100-летию кафедры «Геодезия и геоинформатика». 1998. - с. 35-40.

11. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д., Самратов У.Д. Об определении элементов внешнего ориентирования длиннофокусных снимков и фотограмметрическом сгущении по ним. // Научные труды МИИЗ. М., 1982.

12. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д.; Геометрические особенности фрагмента фотограмметрической модели. // Геодезия и картография. 2001-№10- с.ЗЗ-37.

13. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д., Гебгарт А.А. Возможности трансформирования фрагмента снимка с большим увеличением /Геодезия и картография. 2002.- №12.- с.30- 34.

14. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д., Гебгарт А.А. Некоторые вопросы измерения снимков /Геодезия и картография. 2005.- №2.- с.24-25.

15. Гебгарт А.А Исследование возможностей увеличения коэффициента трансформирования путём использования моделирования // Экономические, правовые, технические и экологические аспекты землеустройства и земельного кадастра. М., ГУЗ, 2004г.- с. 69- 74

16. Гебгарт Я.И., Ниязгулов У.Д., Гебгарт А.А. О точности обработки фрагмента снимка//Геодезия и картография. 2007.- №5.

17. Генов С. Г. Исследование геометрических особенностей увеличенной части снимка. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1999.

18. Гладкий В. И. , Спиридонов В. А. Городской кадастр и его картографо-геодезическое обеспечение М., Недра, 1992.

19. Глушков В.В. Геоинформационные технологии в системе обеспечения безопасности движения на железной дороге / Труды 6-ой научно-практической конференции МИИТ «Безопасность движения поездов»,том 2. М.,2005.-с.Х1-8-9.

20. ГОСТ Р 501606-2000. Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Общие требования. М.: Госстандарт России, 2000.

21. ГОСТ Р 501606-2000. Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Общие требования. М.: Госстандарт России, 2000.

22. ГОСТ Р 501607-2000. Карты цифровые топографические. Правила цифрового описания картографической информации. Общие требования. М.: Госстандарт России, 2000.

23. ГОСТ Р 501608-2000. Карты цифровые топографические. Требования к качеству цифровых топографических карт. М.: Госстандарт России, 2000.

24. ГОСТ Р 51833-2001. Фотограмметрия. Термины и определения. М.: Госстандарт России, 2001.

25. ГОСТ Р 52055-2003. Геоинформационное картографирование. Пространственные модели местности. Общие требования. М.: Госстандарт России, 2003.

26. Дейнеко В.Ф. Аэрофотогеодезия. М.: Недра, 1968, 328 с.

27. Дубиновский В.Б. Калибровка снимков. М.: Недра, 1982. 224 с.

28. Зайцев В. Обзор продукции компании LH Systems, Часть 1. Arcreveiw, 2002, №3.

29. Земельный кодекс Российской Федерации. М.: Эксмо, 2006. - 112 с. ■

30. Иванников А.Д., Кулагин В.П., Тихонов А.Н., Цветков В.Я. Геоинформатика. М.: МАКС Пресс, 2001. 349 с.

31. Иванников А.Д., Кулагин В.П., Тихонов А.Н., Цветков В.Я. Прикладная геоинформатика. М.: МАКС Пресс, 2005. 360 с.

32. Инструкция по топографической съёмке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500. ГКИНП-02-033-82. М.: Недра, 1985. 151 с.

33. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании топографических карт и планов. ГКИНП М., Картогеоцентр. Геодезиздат, 2002.

34. Каратыгин С.А., Тихонов А.Ф. Электронный офис. В 2-х томах. — М.: Бином, 1997.-1472 с.

35. Кислов В. С., Самратов У. Д., Мельников А. В., Бойков В. В. Спутниковая система межевания земель Москвы и Московской области: Информационный бюллетень "Гис-Ассоциация" М., 2002 № 1.

36. Книжников Ю.Ф. и др. Цифровая стереоскопическая модель местности: экспериментальные исследования. Под ред. Ю.Ф.Книжникова. М.: Научный мир, 2004. - 244 с.

37. Левин Б.А, Круглов В.М., Матвеев С.И., Цветков В.Я., Коугия В.А. Геоинформатика транспорта. М.: ВИНИТИ РАН, 2006. 336 с.

38. Лобанов А.Н. Фотограмметрия М., Недра, 1984.

39. Лобанов А.Н. Аэрофототриангуляция/ Изд. 2, доп. -М.: Недра, 1978. -575 с.

40. Лобанов А.Н., Овсянников Р.П., Дубиновский В.Б. и др. Фототриангуляция с применением электронной вычислительной машины/ Изд. 3-е перераб. и доп. -М.: Недра, 1975. -264 с.

41. Лобанов А.Н. «Аэрофототопография». — М., «Недра», 1978г.- с. 576.

42. Малявский Б.К., Быков Л.В. Способ ориентирования пары снимков. Заявка на изобретение № 97106360/28(006776). 2 с.

43. Маслов А.В., Горохов Г.И., Ктиторов Э.М., Юнусов А.Г. Геодезические работы при землеустройстве. М.: Недра, 1976. - 256с.

44. Матвеев С.И. Цифровое трансформирование аэрокосмических сним-ков с измеренными координатами центров фотографирования / Сборник науч-ных трудов МИИТ, выпуск 915, посвященных 100-летию кафедры «Геодезия и геоинформатика» // М.: 1998. с. 29-31.

45. Матвеев С.И., Коугия В.А., Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии на железнодорожном транспорте. Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта/Под ред. С.И.Матвеева. М.: УМК МПС России, 2002. - 288 с.

46. Мельников А. В., Технология и методы создания планово-картографической основы для ведения государственного земельного кадастра и мониторинга земель, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2004.

47. Мельников А. В. , Мышляев В. А. , Тюкавкин Д. В. , Кекелидзе В. Б. Технология создания оригинала рельефа по материалам аэрофотосъемки. Геодезия и картография, М., 2002, №11.

48. Мельников А.В., Мокин А.В., Мышляев В.А. Обработка аэрофильмов в цифровой технологии создания земельно-кадастровых карт. Геодезия и картография, М., 2002, №12.

49. Мухудинов Р. С., Радионов В. А. О производственной технологии получения цифровой информации о рельефе местности. Геодезия и картография. М., 1998 -№2.

50. Мышляев В.А., Дудников Д.И. О новом методе геодезической планово-высотной привязки аэрофотоснимков М, Геодезия и картография, 1998, №6

51. Мышляев В. А. , Кудинова Н. М. Исследование процесса автоматического получения ЦМР. Геодезия и картография. М., 2001 -№5.

52. Нехин С.С., Зотов Г.А., Олейник С.В., Малов В.И. Цифровая фотограмметрическая система эффективное средство геоинформационного обеспечения задач проектирования // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. — 2003. - № 9-10. - с. 44 - 46.

53. Нехин С.С. Цифровые фотограмметрические системы: функции, возможности, перспективы развития // Пространственные данные.-2006.- №3 с. 27-41.

54. Ниязгулов У.Д. О точности опознавания и накалывания точек при различных коэффициентах увеличения фотоизображения. Научные труды ЦСХИ, т. 9, вып. 1, 1972.

55. Ниязгулов У.Д., Гебгарт А.А К вопросу совершенствования технологии получения информации о местности по материалам аэросъёмки. — М. , Вестник МИИТа, выпуск 18, 2008г.- с. 11- 16.

56. Ниязгулов У.Д., Легкий В.В., Гебгарт А.А. К вопросу геоинформационного обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте. Труды девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» М. , МИИТ, 2008г.-с. IX-18.

57. Обиралов А. И., Лимонов А. Н., Гаврилова Л. А. Фотограмметрия М.: Колосс, 2002. 240 с.

58. Олейник С.В. Фотограмметрические сканеры. Геопрофи, 2004, №3.

59. Родионов Б. Н. Об оперативном создании фотопланов сельских населенных пунктов //Геодезия и картография. 1995. - № 2.

60. Савиных В. П. , Кучко А. С. , Стеценко А. Ф. Аэрокосмическая фотосъемка М., Картогеоцентр - Геодезиздат, 1997.

61. Савиных В.П., Цветков В.Я. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования. М.: Картгеоцентр Геодезиздат, 2001. -228 с.

62. Сечин А.Ю. Современные цифровые камеры. Особенности фотограмметрической обработки Информационный бюллетень "Гис-Ассоциация", 2004, №5 (47).

63. Скиридов А.С. Стереофотограмметрия. -М.: Геодезиздат, 1959. -540 с.

64. Тамицкий Э. Д. Автореферат кандидатской диссертации.

65. Тюкавкин Д.В. О цифровой фотограмметрической системе "Талка". Науч. -практ. конф. "Современные проблемы фотограмметрии и дистанционного зондирования" М., 2000.

66. Тюфлин Ю.С. Развитие отечественной фотограмметрии // Геодезия и картография. 1994. - № 3. - с. 33-40.

67. Тюфлин Ю. С. Теория определения элементов внешнего ориентирования по данным, получаемым при аэрофотосъемке. Геодезия и картография М., 1998. №7.

68. Устав железнодорожного транспорта Российской Федерации. -М.,2003.

69. Федеральный закон от 10 января 2003г. № 17 -ФЗ «О железнодорожном транспорте в Российской Федерации».- М.,2003.

70. Федеральный закон от 27 февраля 2003 г. № 29 -ФЗ «Об особенностях управления и распоряжения имуществом железнодорожного транспорта».-М. Инфра„2003.

71. Фотограмметрический сканер DELTA. Инструкция оператору ГНПП "Геосистема", Винница, Украина, 2001

72. Фототопография. Термины и определения//ГОСТ 21002-75 -М, 1975

73. Хмелевской С. И. Аналитическая пространственная блочная фототриангуляция с использованием координат центров проекции аэрофотоснимков, полученных GPS-методами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2000.

74. Чекалин В.Ф. Ортотрансформирование фотоснимков. М.: Недра, 1986. -168 с.

75. Digital Scanning Workstation. Maintenance Manual. DSW-200, 1996.

76. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System. Theory and Praxis. Springer, Wien, New-York.

77. Le Pole. R.S. Potential and Limitations of Digitisation of Photographs // Geodetical Info Magazine, May. 1992. - pp. 58-60.

78. Lorch W., Diete,N. Aerial photography Systems from Carl Zeiss / Presented Paper to the 17th Congress of the ISPRS. 1992.

79. Meier H.R. Progress by Forward Motion Compensation in Cameras / Proc. of 15th ISPRS Congress // In IAPRS, Vol. 25/A1. 1984. - pp. 194-203.

80. Mikhail E.M. Quality of Photogrammrteic Products from Digitised Frame Photography / Proc. of 17th ISPRS Congress // In IAPRS,Vol.29/B2. 1992. -pp. 390-396.

81. RC-30, Aerial Camera System. Technical Reference Manual. LH Systems, Heerbrugg Switzerland, 2000.

82. Savopol F., Chapman M., Boulianne M. A digital multi CCD camera system for near real-time mapping / In IAPRS, Vol. XXXIII // Amsterdam. 2000, Commission I. - pp. 266-271.